張 宇，侯榮國，陳雪松，王好臣，楊 鵬

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049；2.山東嘉豐玻璃有限責(zé)任公司，山東 淄博 255318)

玻璃制瓶機(jī)是將高溫熔融玻璃坯料在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過多道工序吹制成具有一定形狀的玻璃瓶罐的專用設(shè)備[1]。目前生產(chǎn)中通用的制瓶過程是通過一系列機(jī)構(gòu)和閥門協(xié)調(diào)動作完成的，而機(jī)器的動作過程主要是通過機(jī)械閥門或者電磁閥控制氣路的通斷，從而驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)械凸輪的運(yùn)行[2]。從能量轉(zhuǎn)換角度看，制瓶機(jī)的能量轉(zhuǎn)換是把電能經(jīng)過空壓機(jī)轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的壓縮能，壓縮空氣經(jīng)凈化處理后，通過復(fù)雜的高壓氣管道輸送到制瓶機(jī)上，從而驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動作[3]。然而這種控制方式能源利用率低、能耗高、噪音大，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并且其動作穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行成本高[4]。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的來臨，制瓶設(shè)備以及制瓶工藝的智能化和信息化將逐漸成為制瓶行業(yè)的新要求。因此要求制瓶機(jī)具有更高的制瓶精度和制瓶效率以獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)要求制瓶機(jī)具有更好的柔性以適應(yīng)小批量多品種玻璃瓶罐的生產(chǎn)要求[5-7]。開發(fā)出綠色節(jié)能、智能高效的制瓶機(jī)器人是行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的需求，更是國家對綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的要求[8-9]。為進(jìn)一步完善玻璃制瓶機(jī)的控制系統(tǒng)，瑞士布赫集團(tuán)艾姆哈特公司研制了RIS系列制瓶機(jī)，設(shè)備由分料、初型模平行開關(guān)機(jī)構(gòu)、漏斗及撲氣機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、成型模平行開關(guān)機(jī)構(gòu)、正吹機(jī)構(gòu)、鉗瓶機(jī)構(gòu)等組成[10]，進(jìn)一步提高了制瓶過程的智能化、自動化。山東嘉豐玻璃有限公司2013年自主研發(fā)了全伺服驅(qū)動制瓶機(jī)，運(yùn)用伺服控制機(jī)構(gòu)可調(diào)的軟特性，防止了機(jī)械的硬碰撞。伺服機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)件替代了機(jī)械自制件，明顯提高了制瓶機(jī)運(yùn)行的可靠性和通用性，實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)行狀態(tài)下動作準(zhǔn)確、平穩(wěn)、協(xié)調(diào)一致的工藝要求。

為了滿足將玻璃瓶從生產(chǎn)線移動到傳輸線這一生產(chǎn)任務(wù)的要求，本文設(shè)計(jì)了行列式制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)。

1 行列式制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)組成及其功能

在SolidWorks環(huán)境下建立行列式制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖1所示。制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要由J1旋轉(zhuǎn)軸、J2大臂、J3旋轉(zhuǎn)軸、J4小臂、位置平衡連桿機(jī)構(gòu)和鉗瓶手爪等組成。J1旋轉(zhuǎn)軸包括軸承座、減速器和交流伺服電機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)在水平平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，為其提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩。J3旋轉(zhuǎn)軸具有和J1旋轉(zhuǎn)軸相似的結(jié)構(gòu)，為J2大臂和J4小臂實(shí)現(xiàn)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)在垂直平面內(nèi)的運(yùn)動提供支撐和驅(qū)動力矩。大臂和小臂部分構(gòu)成兩個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，增加了整個(gè)臂部的剛度，且具有行程放大功能，即以較小的驅(qū)動行程實(shí)現(xiàn)末端較大的工作行程，從而滿足工作空間的性能要求。位置平衡連桿機(jī)構(gòu)則保證了鉗瓶手爪始終處于垂直狀態(tài)。鉗瓶手爪采用并列手爪夾緊結(jié)構(gòu)，有兩列機(jī)構(gòu)，可一次鉗夾兩個(gè)瓶子，提高了工作效率。行列式制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 行列式制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)Fig.1 Diagram of the paratactic bottle forming machine

表1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)Tab.1 The main design specifications and parameters

2 制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡及運(yùn)動學(xué)分析

2.1 制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制

鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(位置)控制流程如圖2所示。首先由起始零位姿態(tài)垂直向下運(yùn)動，確定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)位置，按照等距原則在此直線間取一系列插值點(diǎn)，并將這些點(diǎn)通過逆運(yùn)動學(xué)方程轉(zhuǎn)化為各個(gè)關(guān)節(jié)上關(guān)節(jié)角的運(yùn)動參數(shù)值(加減速度、等時(shí)運(yùn)動時(shí)間間隔等)；再通過計(jì)算將其轉(zhuǎn)化為到達(dá)每個(gè)插值點(diǎn)電動機(jī)所要運(yùn)動的脈沖數(shù)，根據(jù)等時(shí)運(yùn)動將指定關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)匹配到其他關(guān)節(jié)上，各關(guān)節(jié)伺服電動機(jī)驅(qū)動執(zhí)行同步運(yùn)動；最后通過三次多項(xiàng)式插值計(jì)算指定關(guān)節(jié)各插值段內(nèi)的穩(wěn)定速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端準(zhǔn)確依次到達(dá)這一系列插值點(diǎn)，最終保證其運(yùn)動軌跡呈一條空間直線形態(tài)。

圖2 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(位置)控制流程圖Fig.2 Flow chart of motion (position) control of joints

2.2 制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

對于多自由度機(jī)械手主要采用齊次矩陣的形式推導(dǎo)拉格朗日動力學(xué)方程。

拉格朗日動力學(xué)方程定義為

(1)

對于工業(yè)使用的機(jī)械手而言，式 (1) 中的K為此操作臂的總動能，P為總勢能。即此處拉格朗日動力學(xué)方程表達(dá)式為

(2)

式中：i=1,2,…,n；τi為在關(guān)節(jié)i處作用于驅(qū)動桿i的力矩；qi為操作臂的坐標(biāo)。

在Adams環(huán)境下，首先對裝配體添加運(yùn)動副約束，然后添加基本約束和運(yùn)動約束，其次在各關(guān)節(jié)施加相應(yīng)的載荷，驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，跟蹤手臂末端，以獲得各關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度和加速度變化規(guī)律。當(dāng)插值點(diǎn)的數(shù)量足夠多時(shí)，就可逐漸逼近理論上所規(guī)劃出來的空間直線軌跡，達(dá)到所要求的位置精度。如圖3所示，通過大臂、旋轉(zhuǎn)軸和小臂結(jié)構(gòu)驅(qū)動瓶子從位置1到位置2，實(shí)現(xiàn)在垂直平面內(nèi)的運(yùn)動；然后由旋轉(zhuǎn)軸帶動整個(gè)制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)從位置2到位置3，實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；最后從位置3返回到位置1，其運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動一致。

每個(gè)傳遞過程中，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動都將經(jīng)歷3個(gè)階段：起始階段速度從零升至最高；之后進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)動階段，即運(yùn)動速度基本保持恒定；最后進(jìn)入速度急劇降低階段，速度值由最高降至零。

(a)水平平面

下面以制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)大臂運(yùn)動速度演變?yōu)槔M(jìn)行分析。制瓶機(jī)械手大臂加速度在每個(gè)位置的轉(zhuǎn)換過程可分為3個(gè)階段：在起始階段，加速度先升高后降低；在平穩(wěn)階段，由于受運(yùn)動副阻力的影響，加速度為零；在關(guān)節(jié)速度降低階段，加速度同樣經(jīng)歷先升高后降低至零的變化過程，具體運(yùn)動演變過程如圖4所示。在0～1 s的運(yùn)動過程中，起始階段的大臂運(yùn)動速度升至最高值68 mm/s，其運(yùn)動加速度增至最大值后下降；在1～2 s的運(yùn)動過程中，大臂的運(yùn)動速度一直保持在68 mm/s，運(yùn)動加速度為零；在2～3 s的運(yùn)動過程中，大臂運(yùn)動速度減小至零，加速度值先增大后減小。同理適用于3～7 s和7～10 s的運(yùn)動變化過程，由此可得出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動變化趨勢。

圖4 鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)大臂運(yùn)動演變圖Fig.4 Evolution diagram of arm movement of vise mechanism

3 結(jié)束語

本文機(jī)構(gòu)采用變異關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，通過雙手爪結(jié)構(gòu)提高了工作效率。按照等距原則插值規(guī)劃運(yùn)動路徑，保證其運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)空間直線狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)用Adams軟件進(jìn)行玻璃瓶位置轉(zhuǎn)化過程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析，追蹤手臂末端得到了各關(guān)節(jié)在位置轉(zhuǎn)換過程中的運(yùn)動速度演變圖。以大臂為例分析其在加速階段、平穩(wěn)階段和降速階段的變化過程，從而揭示出鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的演變規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)制瓶機(jī)鉗瓶機(jī)械手機(jī)構(gòu)尺寸提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。