王波+余仁聰+何珣

摘 要：針對(duì)循環(huán)煙箱的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)吸盤與機(jī)械夾具相結(jié)合的拆跺機(jī)器人末端執(zhí)行器，并構(gòu)建了相配套的真空發(fā)生系統(tǒng)和自閉吸盤系統(tǒng)，確定了該機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)循環(huán)煙箱的穩(wěn)定高效拆跺，探索了機(jī)器人技術(shù)在綠色包裝中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)電；循環(huán)紙箱；末端執(zhí)行器；拆跺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.129

“機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在移動(dòng)設(shè)備或者機(jī)器人手臂上，使其能夠拿起一個(gè)對(duì)象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對(duì)象到一個(gè)準(zhǔn)確的離散位置等功能的機(jī)構(gòu)” [1]。僅煙草行業(yè)每年回收利用的循環(huán)煙箱總量超過2千萬個(gè)，由于循環(huán)煙箱已經(jīng)歷了多個(gè)周期的運(yùn)輸、擠壓以及瓦楞紙板本身的強(qiáng)度衰減，其抗壓強(qiáng)度以及接觸面的平整性等都已降低，這也對(duì)循環(huán)煙箱的拆跺機(jī)器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用性能提出了更高要求。

1 總體分析

循環(huán)煙箱的拆垛機(jī)器人末端執(zhí)行器，不僅需要實(shí)現(xiàn)對(duì)煙箱的穩(wěn)定吸取、放置，還應(yīng)克服循環(huán)煙箱惡劣的接觸表面性能（封合不嚴(yán)密、灰塵等），以及人工碼垛帶來的位置偏差吸取、移動(dòng)過程中的晃動(dòng)等，因此除了采用合適的氣動(dòng)吸取結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)輔以合理的夾具機(jī)構(gòu)，以雙重保障來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的穩(wěn)定工作。既利用吸盤系統(tǒng)取放動(dòng)作的高效性，又借助夾具機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，最終確保整套末端執(zhí)行器穩(wěn)定高效。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拆跺機(jī)器人末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：一是適應(yīng)上下升降、左右旋轉(zhuǎn)、前后移動(dòng)六個(gè)基本動(dòng)作；二是適應(yīng)各種外形尺寸的循環(huán)煙箱；三是能夠承載至少50kg 以上的物體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重量；四是整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)重量要輕量化，降低機(jī)器人本體的運(yùn)行負(fù)荷；五是機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的需求，與氣動(dòng)元件能夠良好配合，并為氣動(dòng)元件提供必要的安裝空間；六是整套機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定。

針對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出如上圖的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：一是上部夾板配合吸盤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸盤系統(tǒng)的上下提降動(dòng)作；左夾板進(jìn)行限位固定，確保前后移動(dòng)中箱體的穩(wěn)定；底部托叉在循環(huán)煙箱提起后進(jìn)行托舉，使旋轉(zhuǎn)中的煙箱保持穩(wěn)定；二是夾具結(jié)構(gòu)基本采用不銹鋼型材，主體使用鏤空板材和柱狀桿進(jìn)行結(jié)合，并利用鈑金彎管和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，提高夾具的整體強(qiáng)度；三是為上部整體采用輕量鋁合金材料構(gòu)成環(huán)形框架，框架上部采用方形板進(jìn)行連接，既加強(qiáng)框架穩(wěn)定性，同時(shí)為上部的氣動(dòng)元件安裝提供支撐平臺(tái)；四是底部托叉為配合滾軸傳輸機(jī)構(gòu)，采用柱狀結(jié)構(gòu)，托叉直接可放置在滾軸安裝間隙中，實(shí)現(xiàn)了拆垛后煙箱與輸送機(jī)構(gòu)的無縫對(duì)接，并對(duì)底托在整體彎折后進(jìn)行拋光、倒圓處理，使進(jìn)叉動(dòng)作更加平順。

3 氣動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：一是可適應(yīng)不同表面質(zhì)量的循環(huán)煙箱；二是可適應(yīng)由人工堆垛及長途運(yùn)輸后造成的跺形位置不準(zhǔn)確；三是由于煙箱多次重復(fù)使用，紙箱表面質(zhì)量嚴(yán)重下降，紙箱表面材質(zhì)變軟，而且還會(huì)有部分煙箱封口處破損，機(jī)器人在吸取時(shí)煙箱上表面時(shí)變形會(huì)很大，嚴(yán)重影響煙箱的抓取，氣動(dòng)系統(tǒng)要克服循環(huán)煙箱的此類不良狀態(tài)；四是煙箱由于長途運(yùn)輸及循環(huán)利用，表面附著有大量灰塵，容易堵塞吸盤及真空發(fā)生器，從而影響煙箱的抓取，應(yīng)對(duì)氣源系統(tǒng)的前端和后端均進(jìn)行徹底過濾，確保氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定；五是由于煙箱為豎直放置抓取，煙箱重心偏下，當(dāng)機(jī)器人抓取煙箱做水平移動(dòng)時(shí)，煙箱會(huì)有明顯的晃動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致吸盤與煙箱分離，煙箱掉落。

一是使用帶自閉閥的吸盤。當(dāng)煙箱與夾具發(fā)生位置錯(cuò)位或是有部分吸盤與煙箱分離時(shí)，吸盤部分吸孔發(fā)生真空泄漏，夾具系統(tǒng)能自動(dòng)關(guān)閉已泄露的吸孔，不至于影響其它吸孔的吸取，真空度始終保持在較高的水平上，保證了搬運(yùn)過程中煙箱不掉落；二是夾具吸盤采用多褶皺吸盤，彌補(bǔ)紙箱的變形，使吸盤與紙箱在抓取過程中始終緊密的貼合；三是在儲(chǔ)氣罐后端加入各類過濾裝置，并在吸盤前端加裝過濾網(wǎng)，同時(shí)采用大流量的真空發(fā)生器，可以將灰塵直接排出，確保抓取中動(dòng)作穩(wěn)定性。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）真空吸附系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)。循環(huán)煙箱拆跺中的提升需要真空負(fù)壓產(chǎn)生的吸附力，由于循環(huán)煙箱表面平整度不良，灰塵、毛刺及刮痕多，對(duì)真空吸附能力提出了更高的要求，選用可靠性高、反應(yīng)快速、高效低噪、振動(dòng)極小的真空發(fā)生器，利用其高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使腔內(nèi)形成很低的真空度，再在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。具體設(shè)計(jì)方案如下圖2。

（2）自閉功能吸盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在個(gè)體吸盤的選用上，針對(duì)循環(huán)煙箱粗糙不平的表面對(duì)局部個(gè)體吸盤的影響，采用長波紋吸盤并加入自閉閥進(jìn)行配合，構(gòu)成特有的帶自閉功能的長波紋吸盤個(gè)體。當(dāng)循環(huán)煙箱上表面的局部位置無法與吸盤個(gè)體良好貼合，或者由于人工碼垛造成煙箱位置偏差，使吸盤作用位置為兩件煙箱縫隙當(dāng)中時(shí)，此吸盤個(gè)體的自閉閥自動(dòng)關(guān)閉，不對(duì)整個(gè)單元的真空度構(gòu)成影響。

通過與某機(jī)械手制造公司進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，在武漢煙草卷煙物流配送中心對(duì)設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過對(duì)循環(huán)煙箱的自動(dòng)拆跺測(cè)試，該套末端執(zhí)行器的基本性能穩(wěn)定，拆跺效率可達(dá)850件/小時(shí)，能夠適應(yīng)表面性能比較惡劣的各類循環(huán)煙箱。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)循環(huán)箱體的自動(dòng)拆跺機(jī)器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用研究，分析形成了特有的氣動(dòng)吸盤與機(jī)械夾具相結(jié)合的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并構(gòu)建了相配套的真空發(fā)生系統(tǒng)和帶自閉功能吸盤系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際制造使用，確定了該機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)循環(huán)煙箱的穩(wěn)定高效拆跺，本文是機(jī)器人末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)在綠色包裝領(lǐng)域的一次成功應(yīng)用研究，對(duì)回收紙箱、循環(huán)紙箱、廢料制箱體等重復(fù)利用型箱體實(shí)施自動(dòng)拆跺技術(shù)均具有良好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉剛，劉晉浩.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀問題及對(duì)策[J].包裝工程，2011，32（03）：96+102.

[2]楊傳民，田少龍，楊錳，侯紅紅.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀問題及對(duì)策[J].包裝工程，2014，35（03）：60-62.

[3]劉宏偉，王效杰，梁艷陽，張健.機(jī)器人末端執(zhí)行器姿態(tài)軌跡規(guī)劃研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（04）：28+34.

作者簡介：王波（1967-），男，碩士學(xué)位，中共黨員，高級(jí)工程師，主任，從事卷煙物流管理與技術(shù)工作。endprint