何文明　廣州達(dá)意隆包裝機(jī)械股份有限公司

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SCARA機(jī)器人在香腸自動上料機(jī)中的應(yīng)用研究

何文明廣州達(dá)意隆包裝機(jī)械股份有限公司

現(xiàn)在，食品包裝中，前段包裝由于產(chǎn)品比較規(guī)則，易于實現(xiàn)自動化，后段產(chǎn)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(chǎn)量也很難提高，嚴(yán)重影響了整線效率，急需自動化的設(shè)備來彌補(bǔ)。

SCARA機(jī)器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1 和φ2，及移動關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=f（φ1，φ2，z）。這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，最大運(yùn)動速度可達(dá)10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)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(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進(jìn)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(jīng)過灌裝機(jī)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(zhuǎn)框。人工再將香腸一個個放入拉伸膜機(jī)下膜的凹槽內(nèi)。由于香腸的不規(guī)則性，很難用常規(guī)的設(shè)備實現(xiàn)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(jī)正上方，然后用手一個個將香腸放入拉伸膜機(jī)的下膜上。這種上料方式，效率比較低，勞動強(qiáng)度大，而且衛(wèi)生比較難控制。由于現(xiàn)有的拉伸膜機(jī)一直采用人工上料，故上料的位置很小，如果采用并聯(lián)機(jī)器人，就只能安裝一臺并聯(lián)機(jī)器人，一臺并聯(lián)機(jī)器人上料效率仍然較低，無法滿足產(chǎn)量需求。由于SCARA機(jī)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(chǎn)量的要求。

為了解決香腸每根不規(guī)則都能被機(jī)器人準(zhǔn)確的抓取到，就必須給機(jī)器人裝上“眼睛”，即配上視覺系統(tǒng)，通過SCARA機(jī)器人配合視覺系統(tǒng)，相當(dāng)于給機(jī)器人裝上了眼睛，完全相當(dāng)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：

1、工作原理

人工將整框的香腸倒入振動理料機(jī)構(gòu)的料斗內(nèi)，經(jīng)過振動，香腸均勻地落入振動輸送機(jī)上，在振動輸送機(jī)前進(jìn)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(nèi)，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(jī)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(zhuǎn)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(dāng)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(biāo)，然后將數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器負(fù)責(zé)將抓取任務(wù)分配到每個機(jī)器人上；在抓取輸送帶的斜對角安裝有兩個水平四軸機(jī)器人，每個機(jī)器人負(fù)責(zé)抓取輸送帶上一半的香腸，放到拉伸膜機(jī)一半的位置上，兩個機(jī)器人剛好將抓去輸送帶上的香腸全部放倒拉伸膜機(jī)上。當(dāng)下膜放滿后，拉伸膜機(jī)步進(jìn)一次，機(jī)器人重復(fù)下一次抓取。實現(xiàn)香腸的全自動上料。

2、組成部件

圖1　基于視覺系統(tǒng)的SCARA機(jī)器人香腸上料系統(tǒng)組成原理圖

由于拉伸膜機(jī)的產(chǎn)量是180根/分鐘，如果采用并聯(lián)機(jī)器人，一臺是不能滿足產(chǎn)量，需要2臺，而現(xiàn)有的拉伸膜機(jī)是沒有足夠的空間安裝兩臺并聯(lián)機(jī)器人，故在抓取輸送帶的兩側(cè)布置了兩臺SCARA機(jī)器人，且兩臺機(jī)器人相對抓取輸送帶呈斜對角設(shè)置。每臺機(jī)器人負(fù)責(zé)抓取輸送帶上靠近各自位置的香腸，互不干涉，實現(xiàn)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(jī)2上，香腸在3段振動輸送機(jī)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(biāo)和外形，在標(biāo)準(zhǔn)香腸偏差值內(nèi)的香腸的坐標(biāo)傳輸?shù)綑C(jī)器人控制器，在標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人控制器將抓取指令發(fā)送給機(jī)器人4和機(jī)器人夾具7，完成香腸的抓放。

（1）振動理料機(jī)構(gòu)

圖2　振動理料機(jī)構(gòu)

1.振動料斗2.振動輸送機(jī)

振動理料機(jī)構(gòu)包括振動料斗和振動輸送機(jī)，由于香腸是裝在周轉(zhuǎn)框內(nèi)，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(jī)上，振動輸送機(jī)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(jī)與第二段振動輸送機(jī)垂直布置。后一段振動輸送機(jī)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(shè)計有利于香腸的輸送。

（2）機(jī)器人夾具

圖3　機(jī)器人夾具

機(jī)器人抓取香腸時，為了提高產(chǎn)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(dāng)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(fù)動作抓取第二根和第三根香腸，當(dāng)抓完第三根香腸后一次性將三根香腸放入拉伸膜機(jī)的下膜凹槽內(nèi)。

在包裝機(jī)械中，尤其是后段食品包裝，有些產(chǎn)品的生產(chǎn)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(chǎn)，采用人工包裝，帶來生產(chǎn)管理上的麻煩，企業(yè)急需自動化的設(shè)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(jī)器人還在猶豫中。SCARA機(jī)器人的低成本，完全可以解決這一問題。多臺機(jī)器人在同一生產(chǎn)線上的協(xié)同工作，整合外圍系統(tǒng)，可以打造精簡、高效的機(jī)器人工作站，呈現(xiàn)更高的靈活性并逐步實現(xiàn)智能生產(chǎn)，達(dá)成高效率的自動化，增加生產(chǎn)彈性，提高產(chǎn)能。