何文明 廣州達意隆包裝機械股份有限公司
?
SCARA機器人在香腸自動上料機中的應用研究
何文明廣州達意隆包裝機械股份有限公司
現在,食品包裝中,前段包裝由于產品比較規(guī)則,易于實現自動化,后段產品不規(guī)則,基本上采用人工完成。由于人工包裝存在衛(wèi)生難于控制,而且產量也很難提高,嚴重影響了整線效率,急需自動化的設備來彌補。
SCARA機器人有3個旋轉關節(jié),其軸線相互平行,在平面內進行定位和定向。另一個關節(jié)是移動關節(jié),用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉關節(jié)的角位移φ1 和φ2,及移動關節(jié)的位移z決定的,即p=f(φ1,φ2,z)。這類機器人的結構輕便、響應快,最大運動速度可達10m/s,比一般關節(jié)式機器人快數倍。它最適用于平面定位,垂直方向進行裝配的作業(yè)。例如,快速將一件小物件從一條輸送帶移動到另一條輸送帶上并排列好。其串接的兩桿結構,類似人的手臂,可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回,適合于搬動和取放物件。
以香腸自動上料為例,目前,市場上賣的香腸經過灌裝機灌好后,送到蒸爐里蒸熟,然后人工將香腸從中間分隔處截斷,放入周轉框。人工再將香腸一個個放入拉伸膜機下膜的凹槽內。由于香腸的不規(guī)則性,很難用常規(guī)的設備實現自動上料。傳統(tǒng)香腸的上料方式主要是靠人工,人工放一筐腸在拉伸膜機正上方,然后用手一個個將香腸放入拉伸膜機的下膜上。這種上料方式,效率比較低,勞動強度大,而且衛(wèi)生比較難控制。由于現有的拉伸膜機一直采用人工上料,故上料的位置很小,如果采用并聯機器人,就只能安裝一臺并聯機器人,一臺并聯機器人上料效率仍然較低,無法滿足產量需求。由于SCARA機器人體積相對小,采用合理的布局方式,可以布置兩臺,這樣就在有限的空間里滿足產量的要求。
為了解決香腸每根不規(guī)則都能被機器人準確的抓取到,就必須給機器人裝上“眼睛”,即配上視覺系統(tǒng),通過SCARA機器人配合視覺系統(tǒng),相當于給機器人裝上了眼睛,完全相當于人的功能了,這樣就能解決香腸不規(guī)則的問題。其方案如下:
人工將整框的香腸倒入振動理料機構的料斗內,經過振動,香腸均勻地落入振動輸送機上,在振動輸送機前進的方向均布了5道凹槽,避免香腸滾動,在振動輸送的過程中,香腸會逐漸落入凹槽內,香腸的排列方向也將逐步一致,即短邊在前的輸送。振動輸送機分為三段,前一段都比后一段的速度快,這樣就可以將前后的香腸拉開距離。前后和左右間距分開的香腸通過90°轉彎后落到抓取輸送帶上,在抓取輸送的上方安裝有視覺系統(tǒng),當香腸從視覺系統(tǒng)的鏡頭下通過時,視覺系統(tǒng)將采集到每條香腸的坐標,然后將數據傳遞給機器人控制器,機器人控制器負責將抓取任務分配到每個機器人上;在抓取輸送帶的斜對角安裝有兩個水平四軸機器人,每個機器人負責抓取輸送帶上一半的香腸,放到拉伸膜機一半的位置上,兩個機器人剛好將抓去輸送帶上的香腸全部放倒拉伸膜機上。當下膜放滿后,拉伸膜機步進一次,機器人重復下一次抓取。實現香腸的全自動上料。
圖1 基于視覺系統(tǒng)的SCARA機器人香腸上料系統(tǒng)組成原理圖
由于拉伸膜機的產量是180根/分鐘,如果采用并聯機器人,一臺是不能滿足產量,需要2臺,而現有的拉伸膜機是沒有足夠的空間安裝兩臺并聯機器人,故在抓取輸送帶的兩側布置了兩臺SCARA機器人,且兩臺機器人相對抓取輸送帶呈斜對角設置。每臺機器人負責抓取輸送帶上靠近各自位置的香腸,互不干涉,實現香腸的全自動上料,大大提高上料效率。
人工將整框的香腸倒入振動料斗1,在此處擠壓在一起的香腸會被振松散,然后均勻地落到振動輸送機2上,香腸在3段振動輸送機的整理下,沿著5個通道排列整齊。落到抓取輸送帶6上,在6的正上方安裝有視覺系統(tǒng)3,視覺系統(tǒng)檢測到每根香腸的坐標和外形,在標準香腸偏差值內的香腸的坐標傳輸到機器人控制器,在標準香腸偏差值以外的香腸將不會被視覺識別,這樣還可以剔除掉不合格的香腸。機器人控制器將抓取指令發(fā)送給機器人4和機器人夾具7,完成香腸的抓放。
(1)振動理料機構
圖2 振動理料機構
1.振動料斗2.振動輸送機
振動理料機構包括振動料斗和振動輸送機,由于香腸是裝在周轉框內,而且擠壓在一起,為了方便上料,需要采用振動料斗將擠壓在一起的振松,并均勻的下落到振動輸送機上,振動輸送機分為三段,每段均布5到凹槽,為了充分利用空間,將第三段振動輸送機與第二段振動輸送機垂直布置。后一段振動輸送機輸送速度都比前一段快,而且每一段后端相對于前端都有一個向下的傾角,這樣設計有利于香腸的輸送。
(2)機器人夾具
圖3 機器人夾具
機器人抓取香腸時,為了提高產能,采用3抓1放的方式,即抓3次后放一次,夾具上有3套升降氣缸和3套氣爪,在抓香腸之前,所有的升降氣缸縮回,當抓取第一根香腸時,第一個升降氣缸伸出,氣爪動作,夾片夾住香腸,然后升降氣缸縮回,重復動作抓取第二根和第三根香腸,當抓完第三根香腸后一次性將三根香腸放入拉伸膜機的下膜凹槽內。
在包裝機械中,尤其是后段食品包裝,有些產品的生產還受到季節(jié)的限制,如雪糕、月餅等,每年只在特定的時間生產,采用人工包裝,帶來生產管理上的麻煩,企業(yè)急需自動化的設備取代人工。部分企業(yè)基于成本和回報率的考慮,是否采用機器人還在猶豫中。SCARA機器人的低成本,完全可以解決這一問題。多臺機器人在同一生產線上的協同工作,整合外圍系統(tǒng),可以打造精簡、高效的機器人工作站,呈現更高的靈活性并逐步實現智能生產,達成高效率的自動化,增加生產彈性,提高產能。