行列式制瓶機鉗瓶機械手機構組成及運動學分析

張 宇，侯榮國，陳雪松，王好臣，楊 鵬

(1.山東理工大學 機械工程學院,山東 淄博 255049；2.山東嘉豐玻璃有限責任公司，山東 淄博 255318)

玻璃制瓶機是將高溫熔融玻璃坯料在短時間內經過多道工序吹制成具有一定形狀的玻璃瓶罐的專用設備[1]。目前生產中通用的制瓶過程是通過一系列機構和閥門協調動作完成的，而機器的動作過程主要是通過機械閥門或者電磁閥控制氣路的通斷，從而驅動機構和機械凸輪的運行[2]。從能量轉換角度看，制瓶機的能量轉換是把電能經過空壓機轉換成壓縮空氣的壓縮能，壓縮空氣經凈化處理后，通過復雜的高壓氣管道輸送到制瓶機上，從而驅動機構的動作[3]。然而這種控制方式能源利用率低、能耗高、噪音大，會造成嚴重的環境污染，并且其動作穩定性差、結構復雜、運行成本高[4]。

隨著工業4.0時代的來臨，制瓶設備以及制瓶工藝的智能化和信息化將逐漸成為制瓶行業的新要求。因此要求制瓶機具有更高的制瓶精度和制瓶效率以獲得更高的產品質量，同時要求制瓶機具有更好的柔性以適應小批量多品種玻璃瓶罐的生產要求[5-7]。開發出綠色節能、智能高效的制瓶機器人是行業技術進步的需求，更是國家對綠色環保和低碳經濟的要求[8-9]。為進一步完善玻璃制瓶機的控制系統，瑞士布赫集團艾姆哈特公司研制了RIS系列制瓶機，設備由分料、初型模平行開關機構、漏斗及撲氣機構、翻轉機構、成型模平行開關機構、正吹機構、鉗瓶機構等組成[10]，進一步提高了制瓶過程的智能化、自動化。山東嘉豐玻璃有限公司2013年自主研發了全伺服驅動制瓶機，運用伺服控制機構可調的軟特性，防止了機械的硬碰撞。伺服機構采用標準件替代了機械自制件，明顯提高了制瓶機運行的可靠性和通用性，實現了高速運行狀態下動作準確、平穩、協調一致的工藝要求。

為了滿足將玻璃瓶從生產線移動到傳輸線這一生產任務的要求，本文設計了行列式制瓶機鉗瓶機械手機構。

1 行列式制瓶機鉗瓶機械手機構組成及其功能

在SolidWorks環境下建立行列式制瓶機鉗瓶機械手機構的三維模型，如圖1所示。制瓶機鉗瓶機械手機構主要由J1旋轉軸、J2大臂、J3旋轉軸、J4小臂、位置平衡連桿機構和鉗瓶手爪等組成。J1旋轉軸包括軸承座、減速器和交流伺服電機，主要實現鉗瓶機械手機構在水平平面內的旋轉，為其提供旋轉驅動力矩。J3旋轉軸具有和J1旋轉軸相似的結構，為J2大臂和J4小臂實現鉗瓶機械手機構在垂直平面內的運動提供支撐和驅動力矩。大臂和小臂部分構成兩個平行四邊形連桿機構，增加了整個臂部的剛度，且具有行程放大功能，即以較小的驅動行程實現末端較大的工作行程，從而滿足工作空間的性能要求。位置平衡連桿機構則保證了鉗瓶手爪始終處于垂直狀態。鉗瓶手爪采用并列手爪夾緊結構，有兩列機構，可一次鉗夾兩個瓶子，提高了工作效率。行列式制瓶機鉗瓶機械手機構的主要設計參數見表1。

圖1 行列式制瓶機鉗瓶機械手機構Fig.1 Diagram of the paratactic bottle forming machine

表1 主要設計技術指標與參數Tab.1 The main design specifications and parameters

2 制瓶機鉗瓶機械手機構運動軌跡及運動學分析

2.1 制瓶機鉗瓶機械手機構運動控制

鉗瓶機械手機構各關節運動(位置)控制流程如圖2所示。首先由起始零位姿態垂直向下運動，確定起始點和終止點坐標位置，按照等距原則在此直線間取一系列插值點，并將這些點通過逆運動學方程轉化為各個關節上關節角的運動參數值(加減速度、等時運動時間間隔等)；再通過計算將其轉化為到達每個插值點電動機所要運動的脈沖數，根據等時運動將指定關節運動參數匹配到其他關節上，各關節伺服電動機驅動執行同步運動；最后通過三次多項式插值計算指定關節各插值段內的穩定速度，實現機器人末端準確依次到達這一系列插值點，最終保證其運動軌跡呈一條空間直線形態。

圖2 各關節運動(位置)控制流程圖Fig.2 Flow chart of motion (position) control of joints

2.2 制瓶機鉗瓶機械手機構運動學分析

對于多自由度機械手主要采用齊次矩陣的形式推導拉格朗日動力學方程。

拉格朗日動力學方程定義為

(1)

對于工業使用的機械手而言，式 (1) 中的K為此操作臂的總動能，P為總勢能。即此處拉格朗日動力學方程表達式為

(2)

式中：i=1,2,…,n；τi為在關節i處作用于驅動桿i的力矩；qi為操作臂的坐標。

在Adams環境下，首先對裝配體添加運動副約束，然后添加基本約束和運動約束，其次在各關節施加相應的載荷，驅動轉動軸發生轉動，跟蹤手臂末端，以獲得各關節的運動速度和加速度變化規律。當插值點的數量足夠多時，就可逐漸逼近理論上所規劃出來的空間直線軌跡，達到所要求的位置精度。如圖3所示，通過大臂、旋轉軸和小臂結構驅動瓶子從位置1到位置2，實現在垂直平面內的運動；然后由旋轉軸帶動整個制瓶機鉗瓶機械手機構從位置2到位置3，實現在水平面內的旋轉；最后從位置3返回到位置1，其運動與旋轉軸運動一致。

每個傳遞過程中，各關節的運動都將經歷3個階段：起始階段速度從零升至最高；之后進入平穩運動階段，即運動速度基本保持恒定；最后進入速度急劇降低階段，速度值由最高降至零。

(a)水平平面

下面以制瓶機鉗瓶機械手機構大臂運動速度演變為例進行分析。制瓶機械手大臂加速度在每個位置的轉換過程可分為3個階段：在起始階段，加速度先升高后降低；在平穩階段，由于受運動副阻力的影響，加速度為零；在關節速度降低階段，加速度同樣經歷先升高后降低至零的變化過程，具體運動演變過程如圖4所示。在0～1 s的運動過程中，起始階段的大臂運動速度升至最高值68 mm/s，其運動加速度增至最大值后下降；在1～2 s的運動過程中，大臂的運動速度一直保持在68 mm/s，運動加速度為零；在2～3 s的運動過程中，大臂運動速度減小至零，加速度值先增大后減小。同理適用于3～7 s和7～10 s的運動變化過程，由此可得出各個關節的運動變化趨勢。

圖4 鉗瓶機械手機構大臂運動演變圖Fig.4 Evolution diagram of arm movement of vise mechanism

3 結束語

本文機構采用變異關節式結構，通過雙手爪結構提高了工作效率。按照等距原則插值規劃運動路徑，保證其運動軌跡呈現空間直線狀態，同時運用Adams軟件進行玻璃瓶位置轉化過程中各關節的運動學分析，追蹤手臂末端得到了各關節在位置轉換過程中的運動速度演變圖。以大臂為例分析其在加速階段、平穩階段和降速階段的變化過程，從而揭示出鉗瓶機械手機構運動速度的演變規律，為優化設計制瓶機鉗瓶機械手機構尺寸提供了重要的數據依據。