張曉明（廣東一鼎科技有限公司,廣東 佛山 528061）

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高速包裝機器人設計研究

張曉明
（廣東一鼎科技有限公司,廣東 佛山 528061）

摘 要：對于部分特殊產(chǎn)品來說，受其特點影響，在對其進行包裝時為提高工作效率，以及降低對人員造成的安全威脅，就需要利用各項技術(shù)做好對包裝機器人的研究，與人工包裝相比，機器人具有自動化程度高、可靠性強以及靈活性高等優(yōu)點。在對高速包裝機器人進行設計時，需要確定系統(tǒng)主要構(gòu)成部分，并從不同技術(shù)與結(jié)構(gòu)角度進行分析研究，爭取不斷提高機器人運行穩(wěn)定性與工作高效性。本文對高速包裝機器人的設計進行了研究。

關(guān)鍵詞：包裝機器人；系統(tǒng)設計；故障處理；結(jié)構(gòu)

以食品、醫(yī)藥行業(yè)為例其產(chǎn)品物料質(zhì)量輕小，并且對生產(chǎn)與包裝環(huán)境均有十分嚴格的要求，為確保產(chǎn)品包裝效果，必須要在現(xiàn)有基礎上對其自動快速包裝作業(yè)進行研究，不斷提高作業(yè)的自動化與靈活性，降低外界因素對產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響。高速包裝機器人的提出與應用，可以更好的滿足特殊行業(yè)產(chǎn)品包裝需求，為提高機器人運行穩(wěn)定性與高效性，需要確定關(guān)鍵技術(shù)，從軟件與硬件著手進行分析，采取措施來降低機器人運行故障發(fā)生概率。

1 高速包裝機器人概述

高速包裝機器人即具有高加速度（＞1g）與高運動速度（＞0.5m/s）的包裝機器人系統(tǒng)，對傳統(tǒng)串聯(lián)機器手應用現(xiàn)狀來看，因為是將驅(qū)動單元設置在各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，機器人設計完成后，整體結(jié)構(gòu)大、質(zhì)量重，不能滿足高速包裝需求［1］。因此，在對高速包裝機器人進行研究設計時，需要以滿足切實需求為根本，最好軟件與硬件系統(tǒng)分析，對原有結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化。隨著各項新型技術(shù)在研究中的應用，現(xiàn)在高速包裝機器人在應用上已經(jīng)十分廣泛，尤其是包裝工業(yè)機器人主要負責大型物件的搬運、裝卸與堆碼，并完成人們不可接觸特殊產(chǎn)品的包裝。從作業(yè)種類進行分析，包裝機器人可以分為裝袋機器人、堆碼機器人、裝箱機器人、灌裝機器人以及包裝輸送機器人等。

2 高速包裝機器人設計要點

2.1 精確性

對高速包裝機器人進行設計時，需要確保其系統(tǒng)運行效果可以滿足實際生產(chǎn)需求，即能夠在原有基礎上來提升生產(chǎn)線打包速度和質(zhì)量，并且系統(tǒng)速度在設計上還具有一定的上升空間，為生產(chǎn)線的下次升級預留設計空間。在設計時應做好精確度的控制，即在具有高速功能的同時，還具有較高的定位精度，主要因為在產(chǎn)品包裝過程中如果定位不精準，很容易導致物料、產(chǎn)品與送料軌道或其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞，嚴重的甚至會導致機器人損壞。

2.2 可靠性

工業(yè)機器人在結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設計上，為達到高精度要求，一般設計比較簡單，不存在硬件冗余情況，基本上為可靠性比極高的串聯(lián)模型。因此，在對高速包裝機器人進行設計時，在做好對各重要部件設計的基礎上，還需要做好對加工精度、裝配關(guān)系等因素的分析，做好系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測，具有良好的故障診斷能力，可以及時解除機器人故障狀態(tài)，提高其運作可靠性［2］。

2.3 動態(tài)性

高速包裝機器人在設計時需要確保其具有高效的作業(yè)能力，即具有優(yōu)良的動態(tài)特性，達到高速作業(yè)的效果。由此決定了結(jié)構(gòu)設計時，要控制好結(jié)構(gòu)重量與慣量，在確保其具有剛度與強度前提下，對結(jié)構(gòu)尺寸、外形以及拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。同時，為提高機器人作業(yè)效率，同時還需要做好對控制系統(tǒng)的研究分析，爭取提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及響應速度，達到高效運作的目的。

2.4 控制性

為對高速自動包裝機器人工作循環(huán)間隔時間進行優(yōu)化，需要做好對快速下行以及快速上行時間的控制，尤其是要注意快速上行與下行換速時會產(chǎn)生較大的沖擊振動，進而會降低結(jié)構(gòu)運行的穩(wěn)定性?；诋a(chǎn)品包裝實際過程中需要180°旋轉(zhuǎn)特點，為避免機器人轉(zhuǎn)向造成已包裝完產(chǎn)品被打散，要著重研究旋轉(zhuǎn)啟動與停止階段的設計，提高系統(tǒng)對運行軌跡控制的效果，利用較高的控制效果來提高機器人運行穩(wěn)定性。

3 高速包裝機器人系統(tǒng)設計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設計

（1）X軸。X軸結(jié)構(gòu)主要負責機器人在水平方向的移動，具有負載大以及位移與行程小等特點，在進行設計時需要重點分析伺服電機與滾珠絲杠，尤其是伺服電機設計效果如何直接決定著機械手的運作性能。為使得高速包裝機器人具有高精度與快速響應特點，在確定伺服電機時，應選擇較小轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)矩的設備，同時還要控制好其時間常數(shù)與啟動電壓，并具有較長時間過載能力，可以更好的滿足低速大轉(zhuǎn)矩要求。伺服電機電機轉(zhuǎn)速計算公式為：nL=VL/PR，nM=nL·R。其中，nL表示負載軸旋轉(zhuǎn)速度，nM表示電機軸旋轉(zhuǎn)速度［3］。

第一，負載/電機慣量比。慣量比越大，伺服參數(shù)調(diào)整難度越大，會影響機器人作業(yè)穩(wěn)定性，很容易出現(xiàn)振動問題。但是如果慣量比過小，雖然具有較高的穩(wěn)定性，但是會影響系統(tǒng)響應速度，并會降低系統(tǒng)固有頻率，很容易出現(xiàn)諧振。表1為慣量比對系統(tǒng)性能影響。

表1 慣量比對系統(tǒng)性能影響（JM表示電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，JL表示負載總轉(zhuǎn)動慣量）

X軸負載總轉(zhuǎn)動慣量（JL）分為直線運動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量（JL1）與絲杠轉(zhuǎn)動慣量（JB），計算公式為：

第二，轉(zhuǎn)矩。設計時要求系統(tǒng)連續(xù)工作負載轉(zhuǎn)矩≤伺服電機額定轉(zhuǎn)矩，并且所需最大轉(zhuǎn)矩≤伺服電機輸出最大轉(zhuǎn)矩。則X軸連續(xù)工作負載轉(zhuǎn)矩計算公式為：

其中，μ表示滾珠絲杠摩擦系數(shù)，取值0.2；η表示滾珠絲杠機械效率，取值為0.9.

第三，功率。如果所選電機功率過大，會造成生產(chǎn)成本增加，但是功率過小又會影響到驅(qū)動負載效果，導致機器人不能完成設定包裝作業(yè)軌跡。因此，設計時要求所選電機功率滿足公式：

其中，Po表示連續(xù)運動負載功率，單位W；Pa表示加速運動驅(qū)動功率，單位W。

（2）Y軸。Y軸結(jié)構(gòu)主要在豎直方向進行移動，具有較大的有效形成，在完成一個動作循環(huán)周期后，Y軸要進行3次動作，即取料、放料以及返回，這就決定了Y軸設計要點為剛度分析，確保結(jié)構(gòu)在豎直方向可以自由運動，因此伺服電機需要設置制動器。對于Y軸結(jié)構(gòu)各項參數(shù)的計算，完全與X軸結(jié)構(gòu)相同。Y軸基座與Y軸支撐件相互連接，并且X軸絲杠螺母會與Y軸支撐件固聯(lián)，達到X軸與Y軸聯(lián)動的目的。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

（1）人機交互系統(tǒng)。需要為快速包裝機器人設置一個良好的人機交互界面，實現(xiàn)對整個運作系統(tǒng)的控制。一般人機交互系統(tǒng)主要包括信息顯示區(qū)域、鍵盤區(qū)域、手動控制區(qū)域以及報警區(qū)域等，其中信息顯示區(qū)域需要能夠正常呈現(xiàn)產(chǎn)品包裝流程、注意事項以及突發(fā)故障等信息。對于參數(shù)設置區(qū)域的設計，主要是包裝任務的調(diào)整，而報警區(qū)域則是對機器人的運行狀態(tài)進行監(jiān)控與管理，在遇到異常情況后進行報警。在維護階段可以調(diào)出系統(tǒng)日志模塊，分析確定報警原因與處理方法，實現(xiàn)對機器人的有效控制。

（2）系統(tǒng)測試模式。以DMCA-18X2運動控制器為例，其可以制定L1n，n，n，n為各軸線性插補移動增量式距離，在啟動程序命令啟動前，既可以編寫多個程序段。在機器人包裝運行過程中，如果緩沖區(qū)有空間，還可以寫入附加程序段，來確保機器人作業(yè)的連續(xù)性。其中，在C#程序中，利用“MajGal.command（＂MG-LM＂,＂ ＂,＂：＂,ture）；”完成讀L1程序段可用空間的操作，其中“MajGal”為加載GALIL運動控制卡的“Interop.Galil.dll”運動鏈接庫后，“Galil”為實例化對象［4］。該軟件系統(tǒng)設計時可以采取用圖1程序流程方案，確定機器人結(jié)構(gòu)各軸直線插補方式運行的連續(xù)性。

4 結(jié)束語

快速包裝機器人現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的組成部分，尤其是對于部分產(chǎn)品特殊的行業(yè)來說，利用快速包裝機器人作業(yè)，不但可以提高工作效率，同時還可以降低安全威脅。為提高機器人應用效率，就需要以滿足實際需求為目的，做好對硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設計，提高機器人運行連續(xù)性與穩(wěn)定性。

參考文獻：

［1］胡杰.高速包裝機器人設計及可靠性研究［D］.華南理工大學,2012.

［2］梅江平.高速包裝機器人技術(shù)與應用［J］.機器人技術(shù)與應用,2007（05）：18-20.

［3］馬娟娟.全自動包裝機器人系統(tǒng)的研制［D］.南京航空航天大學,2011.

［4］張明.白酒包裝自動碼垛機器人的研制［D］.四川理工學院,2013.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.128