飲料箱碼垛機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與模態(tài)分析

印剛 管亞獅 袁明新

面向液態(tài)食品，集吹瓶、灌裝、旋蓋、包裝、儲(chǔ)運(yùn)等生產(chǎn)過程的產(chǎn)存一體智能成套裝備是由江蘇新美星包裝機(jī)械股份有限公司自主研發(fā)，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。該裝備能有效幫助客戶降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效率和能源利用率。而高效包裝輸送單元是裝備中的重要一環(huán)，主要利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飲料瓶的裝箱和碼垛等轉(zhuǎn)運(yùn)。而碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要，一直是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。李營(yíng)等[1]針對(duì)多規(guī)格箱體的碼垛需要，設(shè)計(jì)了真空吸盤式機(jī)器人末端執(zhí)行器來提高碼垛效率，劉明保等[2]提出了帶有鉗口“手指”的抓取器，楊傳民等[3]針對(duì)不同類型和規(guī)格包裝件的碼垛需求，設(shè)計(jì)了鏟式抓取器和吸附式抓取器兩種方案，高穎超等[4]針對(duì)超大尺寸瓷板的碼垛需求，利用真空吸盤設(shè)計(jì)了瓷板碼垛機(jī)器人的碼垛手爪，實(shí)現(xiàn)了大尺寸瓷板的可靠抓取、搬運(yùn)和碼放。由上可以看出，設(shè)計(jì)匹配產(chǎn)品尺寸和規(guī)格的機(jī)械手是碼垛效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)液態(tài)食品產(chǎn)存一體智能成套裝備中飲料箱的高效碼運(yùn)，文中設(shè)計(jì)了一種指形末端執(zhí)行器[5]，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了校核，對(duì)負(fù)載下的碼垛機(jī)器人進(jìn)行了模態(tài)分析，校核和力學(xué)分析都驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

1 碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以15kg飲料箱為碼垛對(duì)象，機(jī)器人選擇ABB公司的IRB660系列機(jī)型。為了有效防止碼垛過程中的飲料箱掉落，末端執(zhí)行器采用夾持式機(jī)構(gòu)，如圖1所示。執(zhí)行器主要由左右對(duì)稱的多組曲柄和“L”形手指組成，手指通過氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取和釋放。考慮到飲料箱在搬運(yùn)過程中會(huì)出現(xiàn)的移動(dòng)晃動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中采用了壓圈來進(jìn)行飲料箱的上部壓實(shí)。

圖1 碼垛機(jī)器人及其末端執(zhí)行器

2 末端執(zhí)行器校核計(jì)算

末端執(zhí)行器中主要承重結(jié)構(gòu)是手爪部分，因此文中重點(diǎn)針對(duì)該部分進(jìn)行力的校核計(jì)算。由圖1可以看出，該手爪由左右對(duì)稱的多組曲柄和“L”形手指組成，設(shè)計(jì)中共有12組，而碼垛對(duì)象是15kg飲料箱

因此手爪共承重約150N，而單個(gè)手指承重約為12.5N。為了便于計(jì)算，將手指指尖看成長(zhǎng)方體，則整個(gè)手指就成為一個(gè)175mm×13mm×10mm的長(zhǎng)方體。手指截面對(duì)中性軸的靜矩為：

式中，b為手指截面寬度，h為手指截面高度，y為手指橫截面上距中性軸的距離。

將式(1)代入切應(yīng)力公式：

式中，F(xiàn)s為手指橫截面上作用剪力，Iz為截面對(duì)中性軸的慣性矩。

手指橫截面上距中性軸為y處橫線上各點(diǎn)切應(yīng)力：

當(dāng)y=0時(shí)，切應(yīng)力最大，且為：

故所設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器符合要求。

3 碼垛機(jī)器人及其執(zhí)行器的模態(tài)分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)碼垛機(jī)器人工作過程中的穩(wěn)定性，文中對(duì)外載荷作用下的碼垛機(jī)器人及其末端執(zhí)行器進(jìn)行了模態(tài)分析。

分析中首先利用Solidworks進(jìn)行碼垛機(jī)器人及其執(zhí)行器的三維建模，然后導(dǎo)入Workbench，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 碼垛機(jī)器人網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)中的機(jī)器人基座與地面通過螺栓固定，在添加約束時(shí)，采用固定約束方式約束底座螺栓孔的軸向、徑向及周向的所有自由度。載荷是以末端執(zhí)行器重量20kg，飲料箱重量15kg為前提進(jìn)行施加。

在完成約束、載荷施加后先進(jìn)行模型的等效應(yīng)力、位移和等效應(yīng)變的靜力學(xué)分析，并將分析結(jié)果作為初始條件進(jìn)行模態(tài)分析，從而獲得如表1所示的前十二階模態(tài)結(jié)果。

表1 前十二階模態(tài)結(jié)果

前六階振型較小，為剛體模態(tài)，機(jī)器人7-12階模態(tài)固有頻率和最大變形值如圖3所示。

圖3 碼垛機(jī)器人整機(jī)7-12階振型圖

由表1和圖3可以看出，后六階頻率主要集中在5-35HZ。第七階振型表現(xiàn)為三腳架沿Z軸移動(dòng)，最大變形為1.428mm；第八階振型表現(xiàn)為末端執(zhí)行器沿Y軸移動(dòng)，最大變形為1.3782mm；第九階振型變形表現(xiàn)為末端執(zhí)行器沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最大位移量為1.5527mm；第十階振型表現(xiàn)為末端執(zhí)行器底部沿X軸發(fā)生移動(dòng)，最大變形量為2.0551mm；第十一階振型表現(xiàn)為末端執(zhí)行器底部繞Z軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最大變形量2.0507mm；第十二階振型表現(xiàn)為小臂連接桿繞X軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最大變形量2.7939mm。分析表明，在外加載荷下，碼垛機(jī)器人整機(jī)未出現(xiàn)明顯的變形，因此擁有可靠的剛度。

4 結(jié)束語

為了提高液態(tài)食品產(chǎn)存一體智能成套裝備中包裝輸送單元的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和穩(wěn)定性，文中設(shè)計(jì)了一種指形夾持式末端執(zhí)行器，通過力學(xué)校核計(jì)算表明末端執(zhí)行器能滿足強(qiáng)度要求，而碼垛機(jī)器人的整機(jī)模態(tài)分析表明其在工作過程中能滿足剛度要求，穩(wěn)定性好。