余和青，奚 源

（中國(guó)電器科學(xué)研究院，廣州 510000）

0 引言

近年來，由于國(guó)內(nèi)人口紅利逐漸消失，人工成本不斷攀升，國(guó)內(nèi)知名加工企業(yè)紛紛提出“機(jī)器人換人”計(jì)劃，富士康公司的“百萬機(jī)器人計(jì)劃”顯得尤為突出。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，但我們不能僅僅滿足于替換后的機(jī)器人比人效率高，為了促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，在工業(yè)機(jī)器人本體不斷發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)人員必須通過合理的夾具設(shè)計(jì)以盡量小的成本得到盡量高的的效率，這就要求我們不斷提高機(jī)器人夾具的工作效率并且不斷降低機(jī)器人夾具的耗能。

常規(guī)的機(jī)器人吸盤類夾具吸盤的負(fù)載往往是通過一個(gè)固定真空度的開關(guān)量進(jìn)行控制的，當(dāng)負(fù)載變小時(shí)，真空發(fā)生器所消耗的壓縮空氣與最大負(fù)載時(shí)消耗的壓縮空氣是相同的，這就不可避免的造成了壓縮空氣的浪費(fèi)。本文正是通過真空度開關(guān)量轉(zhuǎn)模擬量控制的方法來針對(duì)不同負(fù)載控制吸盤的真空度，從而降低機(jī)器人多負(fù)載吸盤類夾具的耗能并提高其工作效率。

1 夾具設(shè)計(jì)條件

本文所介紹的紙箱下線機(jī)器人吸盤類夾具需要有效的實(shí)現(xiàn)5種紙箱包裝產(chǎn)品的下線功能，5種紙箱包裝產(chǎn)品的外形尺寸和質(zhì)量如表1所示。

機(jī)器人選用進(jìn)口六軸安川ES165 ，負(fù)載165KG，要求紙箱包裝產(chǎn)品加上夾具的重量小于所選的機(jī)器人負(fù)載。ES165機(jī)器人的垂直工作高度達(dá)到3372mm，水平工作距離達(dá)到2651mm，搬運(yùn)的底盤最長(zhǎng)為2760mm，機(jī)器人工作范圍如圖1所示。

吸盤夾具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，由于5種紙箱包裝產(chǎn)品的上表面（及與吸盤接觸的平面）大小接近，只是高度區(qū)別較大，因此我們可以采用1種固定大小的吸盤夾具完成5種產(chǎn)品的吸取。結(jié)構(gòu)由如圖2所示的鋁型材承重框架、機(jī)器人連接板、吸盤安裝支座和真空吸盤這4個(gè)部分構(gòu)成。

表1 紙箱包裝產(chǎn)品外形尺寸和質(zhì)量

圖1 機(jī)器人工作范圍圖

圖2 吸盤夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的情況下，吸盤夾具的性能主要包括壓縮空氣消耗量的高低和完成吸附動(dòng)作時(shí)間的長(zhǎng)短，影響這兩項(xiàng)性能的關(guān)鍵是真空氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)與控制。常規(guī)的工業(yè)機(jī)器人吸盤類夾具吸盤的負(fù)載往往是通過一個(gè)固定真空度的開關(guān)量進(jìn)行控制的，本文提出了該類吸盤夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的吸盤夾具性能對(duì)比。

2 常規(guī)吸盤夾具設(shè)計(jì)

吸盤夾具的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，接下來需要確認(rèn)的是真空吸盤的大小和個(gè)數(shù)，依據(jù)吸盤底座的尺寸和鋁型材承重框架的大小可以確定真空吸盤的個(gè)數(shù)為24個(gè)。真空吸盤的大小選型要求24個(gè)吸盤的總安全負(fù)載必須大于最重的紙箱包裝產(chǎn)品（質(zhì)量為140）的重量，取吸盤類夾具采用的真空度信號(hào)（即達(dá)到設(shè)定真空壓力輸出電信號(hào)）為-85，再根據(jù)公式(1)和表2可以計(jì)算出吸盤的有效面積必須大于27.7，因此選取的吸盤口徑為Φ60。

W為吸盤安全負(fù)載（N）；

t為安全系數(shù)（水平吊取4）；

S為吸盤有效截面積（cm2）；

P為真空壓力（KPa）。

表2 真空吸盤理論吸力表 （單位：N）

吸盤夾具的真空回路設(shè)計(jì)和真空壓力開關(guān)實(shí)物如圖3所示，真空壓力開關(guān)在使用前手動(dòng)設(shè)置好開關(guān)觸發(fā)真空度數(shù)值，當(dāng)電磁閥通電時(shí)，壓縮空氣通過真空發(fā)生器，由于氣流的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生真空，吸盤將紙箱包裝產(chǎn)品吸起，當(dāng)吸盤至真空發(fā)生器氣路中的真空壓力達(dá)到真空壓力開關(guān)設(shè)置的真空度觸發(fā)值-85時(shí)，真空壓力開關(guān)發(fā)出信號(hào)給PLC控制機(jī)器人本體動(dòng)作。當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，真空發(fā)生器停止工作，真空消失，紙箱包裝產(chǎn)品依靠自重脫離吸盤完成下線動(dòng)作。

圖3 夾具真空回路及真空壓力開關(guān)實(shí)物

3 吸盤夾具真空回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于5種紙箱包裝產(chǎn)品是單線混產(chǎn)并且使用同一夾具，因此當(dāng)負(fù)載為2～5號(hào)產(chǎn)品時(shí)，它們的質(zhì)量都小于真空回路的設(shè)計(jì)負(fù)載，但這時(shí)機(jī)器人本體還是只能在真空開關(guān)檢測(cè)到140Kg對(duì)應(yīng)的真空度-85KPa時(shí)才會(huì)接收到真空開關(guān)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)，這就不可避免的造成了真空發(fā)生器的無效工作，不僅浪費(fèi)了時(shí)間而且耗費(fèi)了多余的壓縮空氣。

要想解決這個(gè)問題就需要吸盤夾具識(shí)別5種產(chǎn)品，并根據(jù)它們的不同質(zhì)量，及時(shí)發(fā)出機(jī)器人本體的開始動(dòng)作信號(hào)，這就又要求真空開關(guān)能夠針對(duì)不同產(chǎn)品編號(hào)識(shí)別多個(gè)真空度并都發(fā)出信號(hào)，依據(jù)公式(1)可以計(jì)算出5種產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的真空度數(shù)值，如表3所示。

表3 不同編號(hào)紙箱包裝產(chǎn)品對(duì)應(yīng)真空度

首先PLC可以通過產(chǎn)品識(shí)別系統(tǒng)發(fā)出的5個(gè)行程開關(guān)信號(hào)組合來選擇每個(gè)紙箱包裝產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)編號(hào)的子程序，這樣就可以解決吸盤夾具識(shí)別產(chǎn)品編號(hào)的問題了，如圖4所示。

圖4 線體產(chǎn)品編號(hào)識(shí)別系統(tǒng)

表4 不同紙箱包裝產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的模擬量電壓值

使用能夠輸出連續(xù)模擬量信號(hào)的真空壓力表（如圖5所示）又正好可以解決真空度識(shí)別這個(gè)問題，當(dāng)PLC接收到真空壓力表輸出的模擬量連續(xù)電壓信號(hào)時(shí)，不同的子程序?qū)?yīng)的觸發(fā)電壓值又不同，PLC的模擬量處理模塊可以根據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)置的不同編號(hào)產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的電壓（對(duì)應(yīng)方法如表4所示）發(fā)出機(jī)器人本體開始動(dòng)作的信號(hào)，從而減少真空發(fā)生器的無效工作時(shí)間。

圖5 模擬量輸出真空壓力表

4 吸盤夾具性能對(duì)比

本夾具使用的真空發(fā)生器為日本妙德株式會(huì)社CV-20HS型型真空發(fā)生器，每個(gè)真空發(fā)生器為6個(gè)吸盤提供真空，每個(gè)真空發(fā)生器的壓縮空氣消耗速度為180L/min，該型真空發(fā)生器真空產(chǎn)生性能參數(shù)如表5所示。

表5 真空發(fā)生器真空產(chǎn)生性能參數(shù)

已知6個(gè)吸盤加配管的容積即真空系統(tǒng)容積約為0.6L，由公式(1)和表5數(shù)據(jù)可以計(jì)算出每個(gè)真空度對(duì)應(yīng)的真空達(dá)到時(shí)間，T-86KPa=0.96s，T-80KPa=0.71s，T-66KPa=0.44s，T-53KPa=0.28s，T-40KPa=0.18s。

T為真空達(dá)到所需時(shí)間（S）；

V為真空系統(tǒng)容積（L）；

C為由真空度和真空發(fā)生器決定的常數(shù)；

α為真空發(fā)生器的型式指數(shù)。

由于常規(guī)吸盤夾具吸取每個(gè)編號(hào)的產(chǎn)品真空度都為-85KPa，因此常規(guī)吸盤夾具完成5個(gè)不同編號(hào)產(chǎn)品吸附動(dòng)作所需的時(shí)間是5T-86KPa=4.8s，優(yōu)化后的吸盤夾具所需時(shí)間為T-86KPa+T-80KPa+T-66KPa+T-53KPa+T-40KPa=2.57s，時(shí)間節(jié)省了46.5%，這也意味著吸附過程中同樣節(jié)省了46.5%的壓縮空氣。

5 應(yīng)用概況

產(chǎn)品線體每天24h生產(chǎn)每種編號(hào)的產(chǎn)品300臺(tái)，優(yōu)化后的吸盤夾具不僅縮短了產(chǎn)品下線工序時(shí)間近12分鐘，理論上還可以每天節(jié)省壓縮空氣8640L?？s短后的產(chǎn)品下線時(shí)間更好的配合了線體的生產(chǎn)節(jié)拍，優(yōu)化后的吸盤夾具縮短了真空發(fā)生器無效工作時(shí)間，減少了吸盤高真空度工作時(shí)間，減輕了線體的供氣壓力，有效增長(zhǎng)了線體設(shè)備的使用壽命。

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