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        ABB 拆垛機(jī)器人輔助吸盤裝置的設(shè)計(jì)

        2019-06-04 03:02:34畢玉超
        煙草科技 2019年5期
        關(guān)鍵詞:支架

        畢玉超,高 勇,叢 鑫,劉 輝,高 坤

        1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠,濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006 號(hào) 250104

        2. 濟(jì)南朗科工貿(mào)有限公司,濟(jì)南市鐵騎路68 號(hào)盤龍山工業(yè)園 250132

        ABB 拆垛機(jī)器人是從瑞典ABB 公司引進(jìn)的先進(jìn)物流設(shè)備,拆垛能力為16 件/min,具有拆垛速度快、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。真空吸附式吸盤作為拆垛機(jī)器人的末端執(zhí)行元件被廣泛應(yīng)用于物流自動(dòng)化領(lǐng)域[1],ABB 拆垛機(jī)器人使用的真空海綿吸盤微孔直徑僅為0.5 mm,遇到大顆?;覊m容易堵塞。特別是近年來在國(guó)家煙草專賣局“降本增效、提質(zhì)增量”要求下,各卷煙企業(yè)普遍對(duì)包裝紙箱進(jìn)行回收,二次利用的紙箱表面聚集較多灰塵顆粒,且容易出現(xiàn)皺褶,吸盤在吸附煙箱過程中常因吸力不足而造成煙箱掉落現(xiàn)象[2-3],造成煙箱損壞,影響工作效率。機(jī)器人仿真軟件RobotStudio 具有動(dòng)畫仿真功能,可以使機(jī)器人工作站高度仿真真實(shí)工作與實(shí)際場(chǎng)景[4],因此利用RobotStudio 軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究的報(bào)道較多。仲德平等[5]利用RobotStudio 軟件編寫了曲線焊縫的路徑離線程序,并將程序?qū)霗C(jī)器人工作站中,通過調(diào)試與仿真解決了焊接過程中曲面工件與焊槍碰撞等問題;蔣旗等[6]利用RobotStudio 軟件進(jìn)行了路徑規(guī)劃編程,獲得了成形、性能較好的構(gòu)件;郝建豹等[7]利用RobotStudion 軟件編寫了碼垛程序,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的碼垛作業(yè)。此外,歐洋等[8]分析了電機(jī)、氣動(dòng)、液壓3 種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn),選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式;齊良春等[9]改進(jìn)了氣缸結(jié)構(gòu),使維保工作更加方便可靠;蔡培良等[10]設(shè)計(jì)了一種殘煙自動(dòng)回收裝置,通過氣缸控制翻板導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動(dòng),應(yīng)用效果良好。但利用氣缸作為輔助吸盤裝置的驅(qū)動(dòng)方式則鮮見報(bào)道。為此,基于ABB拆垛機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種輔助吸盤裝置,采用RobotStudio 軟件編寫程序并將其導(dǎo)入到機(jī)器人工作站中,以期減少設(shè)備故障次數(shù),提高拆垛效率。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 裝置結(jié)構(gòu)

        輔助吸盤裝置主要由費(fèi)斯托DSNU 圓形氣缸、鋁合金支撐框架、活動(dòng)支架、吸盤、管路等部件組成,見圖1。該裝置安裝在海綿吸盤(4)上方的鋁合金支撐框架(2)上,與機(jī)器人末端連接;活動(dòng)支架(3)和吸盤(5)位于煙箱兩側(cè);氣缸(1)安裝在鋁合金支撐框架(2)上,帶動(dòng)與活動(dòng)支架(3)相連的吸盤(5)完成對(duì)煙箱的吸附和釋放動(dòng)作。在實(shí)際生產(chǎn)中,當(dāng)機(jī)器人原有海綿吸盤吸附到煙箱時(shí),輔助吸盤裝置開始動(dòng)作,吸附并夾緊煙箱兩側(cè),將煙箱運(yùn)送到輥道輸送機(jī)上,吸盤收回,完成發(fā)煙任務(wù)。

        圖1 輔助吸盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of auxiliary sucker device

        1.2 氣缸選型

        氣缸理論推力計(jì)算公式[11]為:

        式中:d 為氣缸直徑,m;P 為氣路壓強(qiáng),Pa。

        氣缸實(shí)際推力計(jì)算公式為:

        式中:η為氣缸效率,當(dāng)壓強(qiáng)為0.5 MPa 時(shí),氣缸效率約為0.8[11]。

        由此可得氣缸實(shí)際推力為:

        已知單煙箱質(zhì)量為16 kg,若煙箱兩側(cè)有兩組吸盤進(jìn)行吸附,則每組吸盤的吸附力F1=0.5mg=0.5×16×9.8=78.4 N。取吸盤與煙箱的最小摩擦系數(shù)為0.4,則氣缸實(shí)際推力應(yīng)滿足0.4 F實(shí)際≥F1,即0.4×0.2πd2P≥78.4 N。已知?dú)饴穳簭?qiáng)為0.5 MPa,計(jì)算可得氣缸直徑d≥0.024 98 m=24.98 mm。取氣缸直徑d=25 mm,最終選用型號(hào)DSNU-25-80-PPV-A 的費(fèi)斯托圓形氣缸。

        1.3 吸盤部件

        吸盤部件包括固定端、氣缸連接端、活動(dòng)支架、銷軸、吸盤、上部活動(dòng)搖桿和固定吸盤搖桿等,見圖2。其中,活動(dòng)支架采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu),固定端(1)與鋁合金支撐框架連接,氣缸連接端(2)固定在活動(dòng)支架(3)上,當(dāng)氣缸做伸出或收回動(dòng)作時(shí),帶動(dòng)活動(dòng)支架(3)轉(zhuǎn)動(dòng),活動(dòng)支架(3)帶動(dòng)上部活動(dòng)搖桿(6)和固定吸盤搖桿(7)一起轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)吸盤(5)完成相應(yīng)動(dòng)作。

        圖2 吸盤部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sucker unit

        1.4 氣路結(jié)構(gòu)

        輔助吸盤裝置采用氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng),氣路結(jié)構(gòu)見圖3。來自氣源(6)的壓縮空氣分為3 路,分別流向3 個(gè)兩位五通電磁閥的進(jìn)氣管(1),由兩位五通電磁閥控制氣缸(8)拉桿伸出或收回,帶動(dòng)吸盤部件(9)完成對(duì)煙箱的吸附和釋放動(dòng)作。

        圖3 輔助吸盤裝置氣路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of air circuit of auxiliary sucker device

        1.5 控制程序

        RobotStudio 仿真軟件能夠真實(shí)地模擬機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)景,方便用戶進(jìn)行機(jī)器人編程和操作[12]。本設(shè)計(jì)中采用RobotStudio 軟件編寫控制程序,并運(yùn)用了機(jī)器人軸配置的計(jì)時(shí)指令、觸發(fā)裝置動(dòng)作指令、數(shù)組應(yīng)用、中斷程序等技術(shù),離線程序分為主模塊、數(shù)據(jù)模塊和系統(tǒng)模塊,將程序?qū)霗C(jī)器人工作站,可使輔助吸盤裝置隨程序指令完成相應(yīng)動(dòng)作。控制程序流程圖見圖4。

        圖4 RobotStudio 仿真軟件編程流程圖Fig.4 Flowchart of RobotStudio simulation software programming

        2 應(yīng)用效果

        2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        材料:“泰山(紅將軍)”牌箱裝件煙,包裝材料為二次利用紙箱,共10 000 件(由山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠提供)。

        設(shè)備:IRB6600 型ABB 拆垛機(jī)器人(瑞典ABB公司)。

        測(cè)試方法:ABB 拆垛機(jī)器人運(yùn)行速度設(shè)定為13 件/min,安裝輔助吸盤裝置前后分別完成5 000件煙的拆垛操作,統(tǒng)計(jì)掉煙次數(shù)。

        2.2 數(shù)據(jù)分析

        表1 可見,安裝輔助吸盤裝置后的ABB 拆垛機(jī)器人,在拆垛過程中未出現(xiàn)因吸附不穩(wěn)而造成煙箱掉落等問題,每5 000 件煙中煙箱掉落次數(shù)由12 次減少為0,保障了煙箱質(zhì)量。此外,出現(xiàn)掉煙故障后,海綿吸盤再次吸附煙箱時(shí)吸盤容易與煙箱發(fā)生碰撞造成吸盤損壞。安裝輔助吸盤裝置后,海綿吸盤的使用周期由2 個(gè)月延長(zhǎng)到4 個(gè)月,減少了備件費(fèi)用。

        表1 安裝輔助吸盤裝置前后測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data before and after installation of auxiliary sucker device

        3 結(jié)論

        基于RobotStudio 機(jī)器人仿真軟件、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等技術(shù)設(shè)計(jì)了ABB 拆垛機(jī)器人輔助吸盤裝置,在拆垛過程中能夠輔助吸盤吸附夾緊煙箱兩側(cè),增加了吸附煙箱的穩(wěn)定性,解決了拆垛過程中煙箱掉落等問題。以濟(jì)南卷煙廠生產(chǎn)的“泰山(紅將軍)”牌箱裝件煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:安裝輔助吸盤裝置后,在拆垛過程中未出現(xiàn)因吸附不穩(wěn)而造成煙箱掉落等問題,在機(jī)器人運(yùn)行速度為13 件/min 時(shí),每5 000 件煙中煙箱掉落次數(shù)由12 次減少為0,海綿吸盤使用周期延長(zhǎng)2 個(gè)月,有效降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及機(jī)器人的故障發(fā)生率,保證了物流系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

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