码垛工业机器人机械结构及控制系统设计

0 引言

码垛机器人是将包装货物,整齐地、自动地码(或拆)在托盘上的机器人。其应用在工业生产和立体化仓库中,码垛机器人的使用无疑会大大地提高生产力、降低工人的工作强度,在个别恶劣的工作环境下还对工人的人身安全起到有效保障的作用。对码垛机器人腕部及腰部结构的设计分析,在经过对大量资料调研及整理的情况下,对比多种方案优缺点选定结构基本类型及传动方式,通过结构特点选定电机，经计算校核确定轴、齿轮的尺寸。

1 码垛机器人简介

1.1 工业码垛机器人机械结构比较

工业机器人的主要部分通常是杆件与关节机构。各个杆件通过关节的拓扑结构主要分为三种：串联结构、并联结构、混联结构。对应三种类型机器人：串联机器人、并联机器人、混联机器人。

工业码垛机器人不仅具有串联机器人工作空间大的特点，还具备并联机器人刚度大、负载能力强等特点。其主要包含3大部分：腰部基座、并联部分以及手爪。基座部分是机器人的基础，控制机器人绕腰部回转轴旋转。核心机构是并联部分的平行四连杆结构，小臂通过前、后大臂与导轨滑块相连，通过丝杠驱动机器人手爪沿水平方向伸展和垂直方向俯仰。同时，手爪安装在小臂末端，为保证手爪始终平行于地面，臂部部分还耦合一组平行四边形拉杆机构[1]。

1.3 码垛机器人在我国的应用发展前景

随着工业水平的不断提高，生产过程的流水线操作。各类机器人在生产中广泛运用，提高了工业生产的自动化、智能化、标准化，推进了工业化进程。众所周知，产品包装分为产品包装和运输包装。前者保证了产品的完好性，后者则保证了产品运输流通时的方便和安全。码垛是一种利用机器人技术的机电一体化产品，它可将粉粒状原料)生产过程中的称量、装袋、缝口、倒袋整形、输送、检测、编组、码垛等作业全部实现自动包装的机器人生产线。我国的码垛机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，目前可以提供完整的包材展开—计量—充填—封口(或封箱·捆扎)—码垛—缠绕固结(或捆扎)码垛生产线的企业已有40家左右。

码垛机器人与传统包装机械相比有诸多优点，因此其在包装领域有着广阔的发展前景。目前，码垛机器人在我国的应用还不是很广泛[2]。

但是随着劳动力成本的不断提高，以机械化代替人工是必然的趋势。

加快技术革新，提高生产的自动化水平，提高国际竞争力，是当前国内企业亟待解决的问题，各类机器人的运用也将越来越广泛，其中码垛机器人的应用前景更令人欣喜。

2 码垛工业机器人机械结构

2.1 设计思路

文中设计的机器人的机械结构主要部分由底座、大臂、小臂、腰部、腕部和手爪装置组成,底座是机器人的基础部分,执行机构和驱动装置都安装在底座上。大臂和小臂是执行机构中的主要运动部件,用来支撑腕关节和手部,并使它们在工作空间内运动。腕部是联结手臂与手爪的部件,用于调整手爪的方向和姿态。手爪装置一般指夹持装置,主要用来传递工作。

2.2 码垛机器人腕部及手抓设计装置

手腕按驱动方式来分,可分为直接区动手腕和远距离传动手腕。本次采用直接驱动方式[3]。

设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外,还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉传动灵活;多数情况下,要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上,使外形整齐;设法使，几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去,运动传入腕部后再分别实现各个动作。

码垛手爪的设计要素机器人手爪设计需要考虑多方面的因素,具体如下。①手爪工作目标的重量、大小及材质对于不同对象的工件选择不同的手爪,如板料类工件可采用真空吸附式;对于导磁性介质可采用磁力吸盘；对于PVC料袋等采用夹钳式。②机器人机型的选择机器人最大负载能力和工作半径,机器人的转动惯量,机器人的价格。③手爪的经济工作方式采用电动、气动、液压等作为动力来源,涉及的结构及其制造、使用和维护成本不一样,利用现场环境可提供的动力能够降低制造成本。④手爪前端送料的输送带的结构对于料袋抓取的辊子输送带一般有国标,需要采用标准的接口,而对于皮带输送带,就要考虑怎样来实现。

2.3 码垛机器人大臂、小臂设计

手臂作为码垛机器人的一个重要组成部分,一直是机器人领域研究的重点。目前世界上一些比较先进的码垛机器人制造商,例如日本FANUC、瑞碘ABB、德国KUKA等公司都设计了具有各自鲜明特色的机器人手臂,并且在市面上都已经形成系列化的产品,相比较而言,国内码垛机器人在研发、生产方面尚处于行业起步阶段,暂时还没有形成商品化、系列化。从一些公开发表的文献资料中可以看出,国内机械手臂结构采用的设计方法大多为相似设计。由于处于经验设计阶段,其结构的合理性及科学性并没有可靠的理论依据。

2.4 码垛机器人底座及腰部设计

码垛机器人底座的电机轴与固定底座相对静止，这样可以降低机器人整体的高度并且减小机身整体对底座轴的倾翻力矩。为了保证传动的精度并且便于装配，减速器与底座转轴之间采用法兰的连接方式。

3 码垛机器人工作布局

3.1 周边设备

整形机：主要针对袋装码垛物,经整形机整形后袋装码垛物内可能存在的积,聚物会均匀分散,之后进入后续工序。待码输送机待码输送机是码垛机器人生产线的专用输送设备,码垛货物聚集于此,便于码垛机器人末端执行器抓取,可提高码垛机器人灵活性。

传送带：传送带是自动化码垛生产线上必不可少的一个环节,其针对不同的，厂源条件可选择不同的形式。

3.2 工位布局

工位布局按码垛进出情况常见规划有一进一出、一进两出、两进两出和四进四出等形式。两进两出两进两出是两条输送链输入,两条码垛输出,多数两进两出系统不会需要人工干预,码垛机器人自动定位摆放托盘,是目前应用最多的一种码垛形式,也是性价比最高的一种规划形式,本次采用的工位布局为3进3出。

4 结束语

码垛机器人的诞生标志着无人自动工厂现实的开始，这是人类社会工业的一场革命。目前，各种机器人正逐渐进入人们的生产生活，对人类社会的影响日益显著。