塊狀食品拾放的并聯(lián)機器人

李克鋒

南陽醫(yī)學高等專科學校（南陽 473000）

隨著世界工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)的生產(chǎn)線均在朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，中國的食品包裝行業(yè)大部分還在依靠人工，尤其是上料拾放這種重復性的勞動，依靠人工不僅工作強度大，而且衛(wèi)生不能保證，所以急需一種高速、穩(wěn)定的拾放機器人來代替人工[1-2]。并聯(lián)機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、速動快、精度高等優(yōu)點[3-5]，非常適用于拾放工序，因此設計一種三自由度并聯(lián)機器人用于方形塊狀食品上料工序的拾放，并對其模態(tài)作了分析。

1 機器人基本結(jié)構(gòu)

由于方形塊狀食品的上料工序，塊狀食品只可能有X、Y、Z3個方向的平動，而沒有旋轉(zhuǎn)運動，能完成X、Y、Z3個方向平動的三自由度并聯(lián)機器人就能夠適用于此工序。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此并聯(lián)機器人主要由靜平臺、動平臺、3個相同結(jié)構(gòu)的運動鉸鏈及末端執(zhí)行器組成[6-8]。運動鉸鏈與靜平臺之間通過轉(zhuǎn)動副連接，與動平臺通過球面副連接。驅(qū)動元件采用伺服電機，3臺相同的伺服電機分別驅(qū)動3根運動鉸鏈，使其各自繞靜平臺作擺動，此運動通過運動鉸鏈與動平臺的轉(zhuǎn)動副傳遞到末端執(zhí)行器，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行器在X、Y、Z3個方向的平動。

圖1 機器人結(jié)構(gòu)模型

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設計

2.1 運動鏈的設計

運動鏈是連接動平臺與靜平臺的關(guān)鍵部件，且將伺服電機的運動傳遞給動平臺，從而實現(xiàn)動平臺在X、Y、Z3個方向的運動。它主要由主動臂、從動臂和虎克鉸組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主動臂與裝在靜平臺上的伺服電機相連，從動臂通過虎克鉸與動平臺相連，主動臂與從動臂之間也通過虎克鉸連接[9]，從動臂由兩根等長的直桿組成，直桿與上下連接的虎克鉸組成平行四邊形，此結(jié)構(gòu)能夠保證末端執(zhí)行器只可以做X、Y、Z方向的平動，而不能作繞3個方向的轉(zhuǎn)動。

圖2 運動鏈結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護裝置設計

并聯(lián)機器人一般在較高的工作速度下運動，一般會根據(jù)實際工況設定主動臂在一定范圍內(nèi)繞靜平臺做擺動[10-11]，如若主動臂在運動過程中超過設定的動范圍，會與靜平臺發(fā)生碰撞，對機構(gòu)造成損害，所以為了避免主動臂在運動過程中超過設定的運動范圍，一般會設計軟限位和硬限位，軟限位是在靜平臺上裝有接近式傳感器，在主動臂上裝有感應片，主動臂運動到極限位置時，感應片會觸發(fā)傳感器，從而發(fā)射信號使主動臂停止運動，硬限位是機械限位，它是裝在靜平臺上的橡膠柱，主動臂碰上時會起緩沖作用，并能強制主動臂停止運動，從而起到避免主動臂與靜平臺發(fā)生碰撞的作用。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 保護裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.3 末端執(zhí)行器的設計

末端執(zhí)行器是機器人的執(zhí)行部件，如果設計不合理會對產(chǎn)品造成損害，氣動吸盤具有成本低、易使用、無污染等優(yōu)點，比較適用于抓取塊狀食品等輕量的產(chǎn)品。氣動吸盤一般有2種形式：帶緩沖的和不帶緩沖的，由于塊狀食品屬于易損壞部件，所以選用帶緩沖的氣動吸盤。其原理如圖4所示，吸盤通過通氣孔與氣動設備相連，吸盤接觸到工件時，氣動設備通過通氣管將吸盤內(nèi)的氣體抽走，使吸盤內(nèi)形成真空，內(nèi)外壓力差會使工件被吸附在吸盤上，機器人將工件運送到指定位置時，氣動設備通過通氣孔往吸盤內(nèi)充氣，內(nèi)外壓力差變小，工件在重力作用下與吸盤分離。

吸盤的選取一般根據(jù)吸附力大小及口徑大小，而這2個尺寸又與搬運工件的尺寸及質(zhì)量有關(guān)，所以可以根據(jù)工件的尺寸及質(zhì)量選取氣動吸盤，及與之相配的氣動設備。

圖4 緩沖氣動吸盤原理圖

3 機器人的模態(tài)分析

模態(tài)分析理論是20世紀30年代發(fā)展起來的，它是在阻抗與導納的感念上吸收振動分析及數(shù)據(jù)處理等知識形成的，對機器人的結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)特性，得到其固有頻率和陣型，從而得到結(jié)構(gòu)設計的不合理的地方，并可以有根據(jù)地加以改正[12]，該節(jié)利用ANSYS軟件的Workbench軟件對機構(gòu)做模態(tài)分析。

3.1 模態(tài)分析理論基礎

把并聯(lián)機器人看成是一個由無數(shù)質(zhì)點組成的系統(tǒng)，而且它是一個復雜多自由的系統(tǒng)，描述多自由度系統(tǒng)的離散振動的動力學運動方程為[13-14]：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{x}為加速度響應向量，{x}為速度響應向量，{x}為位移響應向量。{F(t)}為激振力向量，由于機器人的模態(tài)分析是不受外力的自由振動，所以{F(t)}=0。

在不考慮阻尼的情況下，系統(tǒng)為簡諧振動，即{x}=Xsin(ωt)，設系統(tǒng)矩陣S=M-1K，經(jīng)過計算整理可得：

可得方程有N個解ωi（i=1, 2,L,n），也就說系統(tǒng)有N個固有頻率，而對于一個多自由度的系統(tǒng)，固有頻率對系統(tǒng)的影響隨著階級增大而減小，所以系統(tǒng)的振動特性可以由低階固有頻率有效反映出來，所以在做模態(tài)分析時通常對前六階頻率做分析[15]。

模態(tài)分析可以分為4個主要步驟，分別是模型建立、施加邊界條件求解、模態(tài)擴展以及結(jié)果分析和后處理。

3.2 結(jié)果分析

在Solidworks中建立并聯(lián)機器人的三維模型，導入到Workbench中，設置材料屬性、泊松比等參數(shù)，設定零件的約束及接觸特性、各個參數(shù)設定好后，對其進行網(wǎng)格劃分，最后建立模態(tài)分析項，設定模態(tài)數(shù)為6。

計算得到機器人的前六階的模態(tài)陣型圖及模態(tài)頻率，第一、第六階頻率陣型圖分別如圖5和圖6所示，前六階模態(tài)頻率如圖7所示。由圖7可以得到機器人在頻率80～121 Hz之間易發(fā)生共振，由陣型圖5和圖6可得，運動鉸鏈上的球面副即虎克鉸位置變形最大，也就是說此位置受振動影響最大，易遭到破壞，所以在設計時需對此結(jié)構(gòu)做加強處理，使其剛度增大。另外機器人在工作時，應使其頻率避開89～121 Hz頻率段，從而減小振動對其的影響。

圖5 第一階頻率陣型圖

圖6 第六階頻率陣型圖

圖7 前六階模態(tài)頻率

4 結(jié)論

在分析塊狀食品全自動包裝生產(chǎn)線技術(shù)要求基礎上，設計一種只能夠在X、Y、Z3個方向作平動的三自由度并聯(lián)機器人，介紹其基本結(jié)構(gòu)及主要部件的設計，利用ANSYS的Workbench模塊對機器人整機作了模態(tài)分析，得到機器人頻率80～121 Hz之間易發(fā)生共振，通過振型圖得到機器人運動鉸鏈上的虎克鉸位置最易產(chǎn)生變形，設計時需加強此位置的剛度，為食品包裝生產(chǎn)線的自動化設計提供一種解決方案，為三自由度并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)設計提供理論分析基礎。