四自由度碼垛機器人設計及其應用

陳汕　李興和　譚澤華　蘇日娜

摘要：根據布局緊湊、空間有限的碼垛自動化產線對機器人占用空間的特殊要求，設計一種能在狹窄、有限空間的工作單元里進行碼垛工作的碼垛機器人。常見的垂直關節碼垛機器人要達到產線生產時的碼垛要求，在處理應用程序時，對空間的要求較高。根據產線對碼垛的工藝要求和空間要求，確定碼垛機器人的基本技術指標，設計了四自由度水平關節型碼垛機器人的機械結構。應用SolidWorks軟件構建碼垛機器人的三維實體模型，進行模型裝配，實現了碼垛機器人碼垛過程的仿真。為碼垛機器人在工業生產中的進一步應用和發展提供借鑒性參考。

關鍵詞：碼垛機器人;碼垛系統;SolidWorks;模型裝配

中圖分類號：TP242.2 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0164—03

0引言

碼垛是按照集成單元化的思想，將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現物料的存儲、搬運、裝卸、運輸等物流活動。在面粉生產的最后環節需要人工將面粉按一定的垛形堆碼成垛，面粉生產車間工人勞動強度大，工作環境較為惡劣。根據產線需求，為減輕工人勞動強度，改善工作條件，降低面粉生產成本，產線引進機器人碼垛系統。因產線占地面積限制，各周邊設備布局緊湊，采用通用四關節碼垛機器，在有限的空間內要完成面粉袋在指定位置的取放動作，機器人為規避與周邊設備的干涉，會在路徑規劃過程中取多個過渡點，延長了機器人完成一次抓取的時間周期，影響產線節拍，因此本文設計一種能適用在狹窄、有限空間的工作單元里進行碼垛工作的碼垛機器人來滿足產線需求。

1碼垛機器人整體方案

本文以碼垛機器人在面粉碼垛系統的應用確定碼垛機器人的機械結構和參數設計，針對面粉碼垛作業進行機器人的具體結構設計、碼垛系統設計以及末端執行機構設計。根據產線碼垛系統的工作特點和工業機器人類型特征，本文綜合了圓柱坐標型機器人的定位精度較關節型機器人高、結構簡單、動作范圍大并且在動作范圍內無奇異點、編程簡單、運行速度快等優點和水平關節型機器人占地面積小，可在狹窄范圍完成機器人動作的特點，總體方案原理如圖1所示。

1.1碼垛機器人的技術指標

（1）產品形式：袋裝面粉。

（2）產品尺寸：420 min×700 mm×150 mm。

（3）碼垛速度：不少于400袋，h。

（4）物品質量：不大于50 kg/每袋。

（5）垛板尺寸：1200mm×1200 mm×210mm。

（6）碼垛層數：6層。

1.2碼垛機器人結構分析

如圖1所示，此水平多關節型碼垛機器人包括基座、立柱旋轉驅動鏈、垂直驅動鏈、水平驅動鏈和末端執行機構五部分。基座部分設計為安裝座，用于機器人整體固定。立柱旋轉驅動鏈主體設計為支持立柱形式，外加風琴罩防護、配重塊及導軌副、鏈輪鏈條、齒輪齒條等，采用電機直連RV減速機驅動。垂直驅動鏈中采用電機直連行星減速機作為驅動部件，為提高機械傳動效率，選用齒輪齒條傳動方式作為垂直驅動鏈中的動力傳動。驅動部件固定在滑臺側，齒條安裝在立柱側，滑臺與立柱通過導軌副相連接，實現滑臺的上下運動。為減小垂直驅動鏈上下運動的傳動壓力，在立柱內部設置配重塊，平衡部分重力。配重原理：利用配重塊重力，提供與機械手臂及負載自重重力相反的拉力，以減輕垂直方向上整體的負載。當控制Z軸向上移動出現異常時，為減小z軸撞擊時的沖擊力及降低撞擊對傳動部件的損害，在撞擊之前，應把配重提供的拉力卸掉，即配重塊與配重限位應先接觸，滑臺與z軸上限位后接觸。配重塊下滑臺通過鏈條傳動連接。鏈輪通過傳動軸，軸承座等安裝在立柱頂部;鏈條與鏈輪嚙合，其一端連接滑臺，另一端連接配重塊。水平驅動鏈選擇伺服電機作為驅動動力，采用RV減速機作為減速部件，增加傳動精度及運動剛性，電機與RV減速機直連，機構簡單穩定，易于維護。末端執行機構即抓取面粉的夾治具，整個抓取、放料動作由兩組氣缸完成，分別為抓料氣缸和壓料氣缸。通過對抓料氣缸的控制實現抓手部分的張開和關閉動作，通過對壓料氣缸的控制實現壓板的壓料和撤銷動作。主要依靠末端執行機構的抓包及旋轉調整一定角度的動作，進而擺放到指定位置，實現一定的碼垛形式，此種方式使用四自由度碼垛機器人即可滿足生產需求。本文所設計的水平多關節型碼垛機器人避免了碼垛機成本高、占用空間大、設備不易維護等缺點，穩定快速實現不同的碼垛形式。此種碼垛機器人簡化了機械機構，降低了制造難度，也減少了產品的成本。

2碼垛機器人關鍵部位及末端執行機構

2.1基座及驅動鏈

機構主要由立柱、導軌副、齒輪齒條、鏈輪鏈條、電機減速機、配重塊組件、風琴罩防護等組成。

（1）立柱設計是整個機器人的關鍵部分，包含了驅動整個機器人旋轉的電機與RV減速機直連機構，驅動直驅動鏈上下運動的電機與行星減速機直連機構以及為減小垂直驅動鏈上下運動傳動壓力的配重機構。其總高度3000 mm，有效行程1800 mm，立柱旋轉角度為±180°，底面安裝面為φ780mm的圓形。

（2）風琴罩通過仿形導軌截面，卡住兩側導軌導向，起到減少零件、簡化結構的作用。主要用途為防塵及美觀。

（3）后防護蓋板與立柱連接，組成直驅動鏈的框架，加強整體剛性。

（4）基座用于機器人安裝，通過地腳螺栓固定于地面，與立柱上的RV減速機輸出安裝面通過螺栓連接。

（5）配重組件整體在立柱空腔內運動，總質量125kg。通過鏈輪鏈條一端與配重塊連接，一端與垂直驅動鏈中的滑臺相連。

2.2水平驅動鏈

水平驅動鏈選擇伺服電機作為驅動動力，采用RV減速機作為減速部件，增加傳動精度及運動剛性，電機與RV減速機直連，機構簡單穩定，易于維護。

設定各參數：主臂長度950 mm;副臂長度1050 mm;轉動角度范圍為+135°。根據伺服電機、減速機的尺寸及水平運動傳動系統中的受力情況設計承載水平驅動鏈的主臂、副臂，通過受力分析和強度校核確定主臂、副臂結構、材料、厚度等。碼垛機器人方案如圖2所示。

2.3末端執行機構

末端執行機構與機器人末端法蘭相連接。末端執行機構的主體支撐部分為高強度鋁合金板材;主安裝架上安裝抓料氣缸和壓料氣缸（各兩個），壓料氣缸末端安裝壓板，當抓取面粉袋時，控制氣缸向下運動，使壓板壓緊面粉袋以防機器人運行時面料袋滑動;抓手安裝在主連接臂連桿上，連桿通過軸承座、傳動軸等接組成一個可活動的連桿機構，該連桿機構與抓料氣缸相連，由氣缸提供動力，故此連桿機構可以繞傳動軸方向運動。另外在兩側抓手安裝支架這間通過絲桿連接，用于調節兩側抓手的開合寬度以適應不同寬度的工件。

末端執行機構的工作情況：末端連接法蘭與機器人末端法蘭相連接用以吊起整個末端執行機構;末端支架安裝在機器人末端安裝法蘭下面作為末端執行機構的框架;抓手安裝在主連接臂連桿上，連桿通過軸承座、傳動軸等接組成一個可活動的連桿機構，此運動體在氣缸組的帶動下繞傳動軸旋轉方向運動，當開始抓取面粉袋時，此連桿機構繞傳動軸旋轉方向運動進而驅動抓手托住面粉袋底部;抓手托住面粉袋底部后，控制壓料氣缸向下運動，使壓板壓緊面粉袋以防機器人運行時面料袋滑動，而后抓手就可根據現場布局要求將面粉袋搬運到指定位置;面粉袋到達指定位置后需先控制抓料氣缸反向運動，將連桿機構繞傳動軸方向的相反方向張開抓手，隨后控制壓料氣缸向上運動，將壓板升起，完成整個搬運過程。隨后進入下一次搬運過程，依次重復。末端執行機構結構如圖3所示。

3面粉碼垛系統方案

面粉碼垛系統采用機器人工作站形式，機器人工作站的任務是將傳送帶送出來的面粉袋按預定的要求堆成垛。此系統主要由粗導向傳送帶、整形傳送帶、整形裝置、打碼裝置、定位輸送帶、抓手、托板、機器人組成。其工作過程如圖4所示，空托板的送入及成垛托板的移出用叉車完成。面粉裝袋完成后進入粗導向傳送帶，經過粗導向后進入面粉袋整形傳送帶，進入整形裝置后，由氣缸驅動整形裝置將面粉袋壓平，隨后打碼裝置在面粉袋表面噴碼標記，最后進入定位輸送帶，將面粉袋定位，使得機器人能夠按要求抓取面粉袋。根據產線的空間布局要求，碼垛機器人有效利用了現場狹窄的空間，在有限空間的工作單元里進行碼垛工作，提升了碼垛效率。

4結束語

本文以面粉碼垛系統為例，綜合了圓柱坐標型機器人與水平關節型機器人的特點，確定了碼垛機器人的結構，并在產線中取得了良好的效果，產線的有限空間得到有效利用，生產效率大幅提高，為今后機器人碼垛系統提供了重要指導和參考。