倪明堂，馮應(yīng)龍，宋國(guó)慶，陳麗斌，盧慶棠，林 袋，畢燕鑫，鄭春回

（1.廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)革命的快速發(fā)展現(xiàn)狀下，包裝行業(yè)取得了巨大的進(jìn)步，包裝流水線及自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線作業(yè)，代替了包裝過(guò)程中一道道枯燥且反復(fù)的步驟，極大提高了生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本。相比于以前人工包裝的勞作方式，全機(jī)械全自動(dòng)化的包裝盒生產(chǎn)線推動(dòng)力了科學(xué)技術(shù)革命，解放了人類生產(chǎn)力，極大促進(jìn)現(xiàn)代化的發(fā)展，通過(guò)近百年的不斷發(fā)展，機(jī)械行業(yè)迎來(lái)了朝氣蓬勃的發(fā)展[1]。

以企業(yè)提出的全自動(dòng)接觸器包裝盒生產(chǎn)線為設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文主要研究其中的一個(gè)關(guān)鍵單元——全自動(dòng)接觸器包裝盒生產(chǎn)線自動(dòng)上料單元。該上料單元是包裝盒生產(chǎn)線的重要組成部分，是不可或缺的一環(huán)，也是整條生產(chǎn)線的初始起點(diǎn)。針對(duì)客戶需求，設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)存料、抓取、搬運(yùn)的上料單元，把接觸器包裝盒緊密有序運(yùn)輸給自動(dòng)開盒單元，解決了人工上料效率低等問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，接觸器包裝盒生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化后，一是可以減少勞動(dòng)力，降低社會(huì)必要?jiǎng)趧?dòng)時(shí)間，節(jié)約產(chǎn)品生產(chǎn)成本，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益；二是機(jī)器24 h 無(wú)故障的工作極大縮短了生產(chǎn)上料時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率；三是提升企業(yè)生產(chǎn)制造水平，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)聲譽(yù)[2]。而且本文的研究有助于促進(jìn)包裝行業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)全機(jī)械化社會(huì)的進(jìn)程，改善人民的生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更高水平更高質(zhì)量的發(fā)展。

1 自動(dòng)上料單元總體方案設(shè)計(jì)

1.1 接觸器包裝流程

全自動(dòng)接觸器包裝盒產(chǎn)線是企業(yè)根據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)的一個(gè)非標(biāo)定制項(xiàng)目，主要是為客戶提供自動(dòng)化生產(chǎn)流水線解決方案。該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是將展開的包裝盒（如圖1中的1號(hào)），經(jīng)過(guò)一系列的工序，折疊成方形紙盒（如圖1中的5號(hào)），接著把接觸器放在折好的紙盒中，折好盒蓋，并貼上標(biāo)簽，包裝成可直接銷售的產(chǎn)品。具體的包裝流程如圖1所示。

圖1 接觸器包裝過(guò)程

為了能完成上述的一系列包裝工序，該樣機(jī)模型主要是由自動(dòng)上料單元、自動(dòng)開盒單元、自動(dòng)輸送及貼標(biāo)單元和自動(dòng)運(yùn)輸、上料及掃碼單元這4 個(gè)部分構(gòu)成。自動(dòng)上料單元負(fù)責(zé)將展開的紙盒夾持、運(yùn)輸給自動(dòng)開盒單元；自動(dòng)開盒單元工作，把扁平的紙盒折疊成方形紙盒（底部成型）；通過(guò)自動(dòng)運(yùn)輸及貼標(biāo)單元把折好的紙盒運(yùn)送給接觸器上料單元，并給紙盒貼識(shí)別碼；疊好的紙盒運(yùn)輸?shù)阶詣?dòng)運(yùn)輸、上料及掃碼單元時(shí)，機(jī)器自動(dòng)識(shí)別工件，將接觸器準(zhǔn)確、快速地放在包裝盒中，并折好盒蓋，包裝成產(chǎn)品，通過(guò)運(yùn)輸線傳送、識(shí)別物料編碼、即可出庫(kù)售賣，整機(jī)工作流程如圖2 所示。整個(gè)生產(chǎn)流水線工序安排合理、緊湊、高效，既節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，又提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)時(shí)間。

圖2 整機(jī)工作流程

1.2 自動(dòng)上料單元工作流程

待上料的接觸器包裝盒實(shí)物如圖3 所示，根據(jù)實(shí)際測(cè)量產(chǎn)品相關(guān)尺寸可知，包裝盒的寬度為（132±1）mm，長(zhǎng)度為188.5 mm，厚度1 mm，質(zhì)量15 g?？紤]到包裝紙盒的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬尺寸，產(chǎn)品質(zhì)量比較輕，初步確定模型方案為料倉(cāng)式自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。

圖3 接觸器包裝盒實(shí)物

料倉(cāng)機(jī)構(gòu)有4 個(gè)倉(cāng)位，每個(gè)倉(cāng)位一次性?shī)A取2 個(gè)包裝盒，如圖4所示。該料倉(cāng)機(jī)構(gòu)最大裝載容量為8 000個(gè)包裝盒，每個(gè)倉(cāng)位有2 000個(gè)包裝盒。

圖4 倉(cāng)位分布

料倉(cāng)式自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的工序安排合理、嚴(yán)密緊湊，目的是減少上料時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)使用的是可編程邏輯控制器PLC，根據(jù)控制系統(tǒng)的邏輯性分析，該上料機(jī)構(gòu)的工作流程安排如圖5所示。

圖5 上料單元工作流程

料倉(cāng)式自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)設(shè)備具體的工作流程設(shè)計(jì)如下。

（1）人工定時(shí)往料倉(cāng)機(jī)構(gòu)里裝料，裝料是從上往下一垛一垛疊堆的，豎直的單軸機(jī)器人緩慢往下運(yùn)動(dòng)，直到極限位置，裝料完成。

（2）X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人，在PLC系統(tǒng)控制下，緊密配合，從開盒模組起始位置運(yùn)動(dòng)到1 號(hào)倉(cāng)位，氣缸開始工作，真空吸盤吸附紙盒，夾持物料，回到開盒模組處，同時(shí)，1 號(hào)倉(cāng)位的單軸機(jī)器人緩慢上移，填補(bǔ)剛剛的空位，循環(huán)往復(fù)，直到1號(hào)倉(cāng)位物料全部夾取完成。

（3）1 號(hào)倉(cāng)位搬運(yùn)結(jié)束后，機(jī)器人按照同樣的步驟夾取2號(hào)倉(cāng)位、3號(hào)倉(cāng)位、4號(hào)倉(cāng)位的包裝盒。

（4）料倉(cāng)機(jī)構(gòu)的物料全部夾取完畢后，工作又回到第一步，反復(fù)循環(huán)地工作。

1.3 自動(dòng)上料單元整體結(jié)構(gòu)

1.3.1 模型結(jié)構(gòu)

本文研究的全自動(dòng)接觸器包裝產(chǎn)線自動(dòng)上料單元是整條生產(chǎn)線的一個(gè)單元，其任務(wù)是將夾持接觸器包裝盒運(yùn)輸給自動(dòng)開盒單元。接觸器包裝盒長(zhǎng)寬比較大、厚度薄、質(zhì)量輕、位置精度要求不高，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，綜合權(quán)衡考慮，采用料倉(cāng)結(jié)構(gòu)堆放產(chǎn)品。從工作原理和工作空間等方面考慮，通過(guò)比較直角坐標(biāo)式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手、球坐標(biāo)機(jī)械手和關(guān)節(jié)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、加工制造過(guò)程，經(jīng)濟(jì)成本和生產(chǎn)周期等方面，選擇直角坐標(biāo)系機(jī)械手在路徑規(guī)劃[3]、工作空間和加工制造難易程度上比其他機(jī)械手更有優(yōu)勢(shì)。綜合上述，該自動(dòng)上料單元采用料倉(cāng)式直角坐標(biāo)自動(dòng)上料結(jié)構(gòu)[4]，結(jié)構(gòu)的三維模型如圖6所示。

圖6 自動(dòng)上料單元三維模型

1.3.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人工作原理

直角坐標(biāo)機(jī)器人是指能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)[5]。根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系的理論，可知空間上的任意一點(diǎn)都是由X、Y、Z軸3 個(gè)方向的尺寸共同確定的。因此為了研究問(wèn)題方便，可以把空間任意兩點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為分別在3 個(gè)自由度方向的直線運(yùn)動(dòng)，類似于數(shù)控技術(shù)中直線插補(bǔ)的方法[6]。

能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式有很多種，在目前的市場(chǎng)中，主要使用滾珠絲桿傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)這幾種傳動(dòng)方式[7]。通過(guò)對(duì)比幾種常見(jiàn)傳動(dòng)方式性能，結(jié)合模型的結(jié)構(gòu)情況，直線運(yùn)動(dòng)方式采用線性導(dǎo)軌輔助的滾珠絲桿傳動(dòng)。

1.3.3 直角坐標(biāo)機(jī)器人外形確定

目前在市場(chǎng)中，直角坐標(biāo)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，另一種是懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人，兩種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)如表1 所示[8-9]。根據(jù)客戶需求，此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品質(zhì)量較輕，長(zhǎng)寬距離相對(duì)較大，對(duì)模型的空間資源和靈活性要求較高，綜合考慮，該自動(dòng)上料單元選擇懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人。

表1 兩種機(jī)器人性能對(duì)比表

本章主要內(nèi)容是根據(jù)包裝盒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和客戶需求來(lái)確定接觸器包裝盒自動(dòng)上料單元的工藝流程，并對(duì)自動(dòng)上料機(jī)器人做出正確的路徑規(guī)劃；根據(jù)工作要求和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定三軸機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型方案，而且直角坐標(biāo)式機(jī)器人使用懸臂式結(jié)構(gòu)；綜合各方面考慮，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)方案采用料倉(cāng)式懸臂直角坐標(biāo)自動(dòng)上料機(jī)器人。

2 自動(dòng)上料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)工作流程與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)上料單元的整體結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，全自動(dòng)接觸器包裝盒產(chǎn)線自動(dòng)上料單元整體設(shè)計(jì)為料倉(cāng)式直角坐標(biāo)自動(dòng)上料單元。自動(dòng)上料單元的三維結(jié)構(gòu)分布圖如圖7 所示，主要是由鋁型材框架、機(jī)架、X軸機(jī)構(gòu)、Y軸機(jī)構(gòu)、Z軸機(jī)構(gòu)和料倉(cāng)機(jī)構(gòu)組成。自動(dòng)上料單元的整體布局以合理、緊湊、實(shí)用為主，根據(jù)包裝盒產(chǎn)品存放位置與自動(dòng)開盒單元在整條生產(chǎn)線的布局，合理地布置各機(jī)構(gòu)在模型的空間位置，提高機(jī)器的穩(wěn)定性、工作效率和動(dòng)作連貫性。

圖7 模型結(jié)構(gòu)布局

2.2 X軸機(jī)器人

2.2.1 結(jié)構(gòu)方案

由前面的樣機(jī)結(jié)構(gòu)方案分析，可知自動(dòng)上料單元采用懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人，而X軸機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的就是懸臂結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，如圖6 所示。通過(guò)對(duì)直角坐標(biāo)機(jī)器人工作原理分析，根據(jù)工作要求和直線傳動(dòng)特點(diǎn)，X軸結(jié)構(gòu)采用絲桿型單軸機(jī)器人傳動(dòng)[10-11]。選擇絲桿型單軸機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）單體運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高；

（2）重復(fù)定位精度高；

（3）本體質(zhì)量輕、占用空間小、使用壽命長(zhǎng)；

（4）市場(chǎng)上的單軸機(jī)器人形成標(biāo)準(zhǔn)化，可直接選型使用，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)，如怡合達(dá)、米思米等公司，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。

X軸機(jī)構(gòu)由單軸機(jī)器人、拖鏈、X軸固定板、L 型固定板和拖鏈槽組成，如圖8 所示。單軸機(jī)器人的滑塊用于安裝Z軸機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)Z軸機(jī)構(gòu)做直線運(yùn)動(dòng)；X軸固定板用于把單軸機(jī)器人固定在Y軸機(jī)器人的滑塊上，使X軸機(jī)構(gòu)能隨著Y軸機(jī)器人中的滑塊運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；L型固定板用于把拖鏈槽固定在X軸固定板上，起著支撐緊固作用；拖鏈槽用于放置拖鏈，并防止拖鏈工作時(shí)因振動(dòng)而發(fā)生偏移；拖鏈用于放置一些電線、氣管等連接件。

圖8 X軸機(jī)構(gòu)三維圖

X軸機(jī)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)為單軸機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前市場(chǎng)上的單軸機(jī)器人已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，為了縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)約成本，該機(jī)構(gòu)決定選用怡合達(dá)的絲桿型單軸機(jī)器人。絲桿型單軸機(jī)器人核心零部件為滾珠絲杠、電機(jī)等，根據(jù)機(jī)器人承受的載荷、使用環(huán)境等，詳細(xì)地對(duì)滾珠絲杠、電機(jī)等核心零部件進(jìn)行選型計(jì)算。

2.2.2 單軸機(jī)器人選型

根據(jù)單軸機(jī)器人的使用條件（表2）可知，該單軸機(jī)器人工作載荷較輕，安裝空間要求不嚴(yán)格，使用環(huán)境要求不高，故初步選擇怡合達(dá)產(chǎn)品型號(hào)為YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機(jī)器人。為了提高設(shè)備性能及合理使用標(biāo)準(zhǔn)件，下面對(duì)該單軸機(jī)器人進(jìn)行載荷計(jì)算、滾珠絲杠的校驗(yàn)和電機(jī)選型。

表2 X軸機(jī)構(gòu)單軸機(jī)器人使用條件

X軸機(jī)構(gòu)所受負(fù)載受力示意圖如圖9所示，由重力公式計(jì)算得：

圖9 X軸機(jī)構(gòu)受力示意圖

工件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：

在怡合達(dá)官網(wǎng)上查詢YBSC8B 系列單軸機(jī)器人詳細(xì)參數(shù)表，可知X軸機(jī)構(gòu)水平和豎直最大負(fù)載分別為25 kg 和12 kg，均比實(shí)際工件載荷4 kg 大；而且單軸機(jī)器人Mxd 容許力矩為7 N·m，比工件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T=1.96 N·m 大，故型號(hào)為YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機(jī)器人滿足負(fù)載要求，X軸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

2.2.3 滾珠絲杠

（1）絲杠安裝方式

根據(jù)滾珠絲杠的工作要求、使用環(huán)境和載荷大小等情況，對(duì)比滾珠絲杠4 種安裝方式的特點(diǎn)，初步選用一端固定一端鉸支安裝方式。

表3 絲桿使用條件

（2）絲杠許用軸向載荷計(jì)算

式中：P為絲杠許用軸向負(fù)載；α為安全系數(shù)，一般取0.5；E為楊氏模量，取2.08×105N/mm2；d為絲杠軸低徑；L為安裝距離；I為絲杠軸截面最小慣性矩；n為安裝系數(shù)，取2。

將式（4）代入式（3），得：

（3）絲杠許用轉(zhuǎn)速

絲杠許用轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式中：N為絲杠許用轉(zhuǎn)速；β為安全系數(shù)；g為重力加速度；γ為絲杠材料比重，γ=ρ·g；A為絲杠最小截面積；λ為絲杠安裝方法的系數(shù)，取3.927。

公式推導(dǎo)如下：

式（7）推導(dǎo)過(guò)程僅適用于絲桿材料密度為7 800 kg/m3，即絲桿選用的材料是鋼。

（4）確定絲桿導(dǎo)程

絲桿導(dǎo)程計(jì)算公式為：

式中：P為絲桿導(dǎo)程；vmax為負(fù)載移動(dòng)最大速度；Nmax為絲桿最大轉(zhuǎn)速。

200 W 伺服電機(jī)許用轉(zhuǎn)速Nmax=3 000 r/min，所選單軸機(jī)器人最大進(jìn)給速度Vmax=500 mm/s，即為30 000 mm/min。將數(shù)值代入式（8）中，求得絲杠的導(dǎo)程為：

實(shí)際取Ph=10 mm，可滿足速度要求。

（5）絲桿長(zhǎng)度確定

根據(jù)X軸向運(yùn)動(dòng)行程為600 mm，可計(jì)算出兩個(gè)固定支撐座的最大距離：

（6）軸向負(fù)載計(jì)算

絲桿水平安裝時(shí)，加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)滾珠絲杠副承受最大軸向載荷。減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)滾珠絲桿副承受最小軸向載荷如下。

加速時(shí)：

均速時(shí)：

減速時(shí)：

式中：Fmax為滾珠絲杠副承受的最大軸向載荷；Fm為滾珠絲杠副勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向載荷；Fmin為滾珠絲杠副承受的最小軸向載荷；為摩擦因數(shù)，線性導(dǎo)軌取0.05；m為滑臺(tái)質(zhì)量及最大工件質(zhì)量；g為重力加速度；a為加速度。

由前面可知，正常工作的速度為200 m/s，即為0.2 m/s，最大負(fù)載m≈4 kg，加速時(shí)間t=0.1 s，加速過(guò)程的加速度為a=v/t= 2 m/s，選用線性導(dǎo)軌，μ=0.05，將數(shù)值代入式中，求得絲桿軸向力為：

（7）絲桿軸徑確定

在式（5）中，使F≤P，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，P取大于F的整數(shù)值，取P=10 N，逆運(yùn)算求絲桿低徑d1為：

根據(jù)長(zhǎng)徑比計(jì)算軸徑d2，長(zhǎng)徑比通常必須小于60，即：

代入數(shù)值得:

公式（9）中，絲桿材料為鋼，使Nmax≥N，實(shí)際應(yīng)用中，絲桿杠轉(zhuǎn)速為1 500 r/min左右，逆運(yùn)算求d3：

經(jīng)核驗(yàn)計(jì)算，絲桿軸徑需要同時(shí)滿足式（17）、（19）、（20），即：

故選用滾珠絲桿外徑d0=16 mm，底徑d=13.6 mm，可滿足軸徑計(jì)算要求。

（8）基本載荷及壽命

絲杠平均載荷計(jì)算公式如下;

絲桿工作時(shí)的負(fù)載條件如表4 所示，代入式（22）中，計(jì)算得平均載荷為：

表4 絲桿工作狀況

平均轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

代入具體數(shù)值，求得平均轉(zhuǎn)速為：

基本額定動(dòng)載荷計(jì)算：

式中：Lh為預(yù)期工作時(shí)間，取30 000 h；fw為載荷系數(shù)，取1.2。

將已知數(shù)值帶入式中，求得絲杠額定動(dòng)載荷為：

基本額定壽命計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算校核，滾珠絲桿導(dǎo)程Ph=10 mm，外徑d0=16 mm，基本額定動(dòng)載荷Ca=63.28 N，基本額定壽命Lh=29 997.54 h（在誤差范圍內(nèi)），均滿足YBSC8B 單軸機(jī)器人參數(shù)和其他選型參數(shù)，故該單軸機(jī)器人的滾珠絲桿滿足工作要求。由于在滾珠絲桿選型計(jì)算過(guò)程中涉及直線導(dǎo)軌和軸承的內(nèi)容，因此不對(duì)這兩部分單獨(dú)計(jì)算。

2.2.4 電機(jī)選型

選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)選取松下伺服電機(jī)MSMF022L1U2M，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MADLN15SE，功率為200 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.64 N·m，最大瞬時(shí)扭矩為2.23 N·m，額定工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

已知：負(fù)載重量m=4 kg，絲桿螺距Ph=10 mm，絲桿直徑d0=16 mm，機(jī)械效率η=0.9，負(fù)載移動(dòng)速度v=200 mm/s，全程移動(dòng)時(shí)間t=3 s，加減速時(shí)t1=t2=0.1 s。

（1）計(jì)算折算在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量

重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

由于未明確給出滾珠絲桿的具體參數(shù)，假設(shè)絲桿重量mb=5 kg。

電機(jī)上總負(fù)載慣量：

（2）計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)所需轉(zhuǎn)速：

（3）計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩：

式中：F為滾珠絲桿軸向載荷，F(xiàn)=9.96 N。

重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：

絲桿加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：

加速時(shí)所需總轉(zhuǎn)矩：

預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：

式中：Fp為滾珠絲桿副的預(yù)緊力，F(xiàn)p=Fmax/3。

在滾珠絲桿選型過(guò)程中，已包括軸承受力計(jì)算，故不再對(duì)軸承進(jìn)行另外選型計(jì)算，所以設(shè)支撐軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩為Tb1=0.1 N·m。

電機(jī)總扭矩：

所選伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T=0.64 N·m，最大瞬時(shí)扭矩Tmax=2.23 N·m，額定轉(zhuǎn)速N0=3 000 r/min，根據(jù)伺服電機(jī)選型原則進(jìn)行比較：伺服電機(jī)額定扭矩T＞Tf，且T＞T總；伺服電機(jī)最大扭矩Tmax＞Tf+TA；伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速N0＞N。根據(jù)計(jì)算比較結(jié)果，伺服電機(jī)MSMF022L1U2M 滿足各方面參數(shù)要求，故選型合理。綜上，選擇型號(hào)為怡合達(dá)YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機(jī)器人，型號(hào)為松下MSMF022L1U2M 的伺服電機(jī)均滿足X軸機(jī)構(gòu)的工作要求。

2.3 Y軸機(jī)器人

Y軸機(jī)構(gòu)與X軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理類似，都是運(yùn)用單軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線傳動(dòng)，重復(fù)部分便不做多余陳述，下面主要對(duì)Y軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。

Y軸機(jī)構(gòu)由單軸機(jī)器人、拖鏈、Z型固定板、滑塊和電機(jī)組成，如圖10 所示。單軸機(jī)器人的滑塊用于安裝X軸機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)X軸機(jī)構(gòu)做直線運(yùn)動(dòng)；Z 型固定板用于連接拖鏈末端，起著固定零件的作用，加強(qiáng)拖鏈安裝強(qiáng)度；拖鏈用于放置一些電線、氣管等標(biāo)準(zhǔn)件；Y軸機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘連接，固定在機(jī)架上，為三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人的固定部位。

圖10 Y軸機(jī)構(gòu)三維模型

2.4 Z軸機(jī)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，Z軸機(jī)構(gòu)為抓取模塊，考慮到包裝盒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平坦，較寬又薄，不便采用夾持式機(jī)械手，故采用氣缸+真空吸盤結(jié)構(gòu)，Z軸機(jī)構(gòu)的三維模型如圖11所示。該機(jī)構(gòu)主要是利用薄型氣缸的雙作用帶動(dòng)真空吸盤組件吸附物料進(jìn)行上下料，實(shí)現(xiàn)Z軸的直線運(yùn)動(dòng)。氣缸為執(zhí)行元件，把空氣壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為執(zhí)行末端通過(guò)動(dòng)力[12]；真空吸盤組件是由自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模塊，目的是提高真空吸盤吸附的平穩(wěn)性；氣缸固定板用于把Z軸機(jī)構(gòu)固定在X軸機(jī)器人的滑塊上，使Z軸機(jī)構(gòu)能隨著X軸機(jī)器人中的滑塊運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；L 型固定板用于連接拖鏈末端，起著固定電線，加強(qiáng)拖鏈安裝強(qiáng)度的作用。

圖11 Z軸機(jī)構(gòu)三維圖

由于被抓取的物料質(zhì)量比較輕，Z軸機(jī)構(gòu)是固定在懸臂的X軸機(jī)構(gòu)上的，為減小機(jī)器的受力變形損害單軸機(jī)器人和影響工作精度，因此采用薄型雙作用氣缸比較合適。已知真空吸盤組件和物料總質(zhì)量M=2 kg，氣缸工作行程為100 mm。

氣缸所受軸向負(fù)載力F為（豎直安裝）：

理論輸出力為：

式中：η為負(fù)載率，取0.5。

普通雙作用氣缸的理論推力為：

式中：D為缸徑；p為氣缸的工作壓力，取0.5 MPa。

由式（41）得雙作用氣缸缸徑為：

為了安全起見(jiàn)，氣缸缸徑選型比計(jì)算值大一點(diǎn)，取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，D=16 mm。

故選用型號(hào)為怡合達(dá)薄型氣缸WGU02-16-100-2，缸徑16 mm，行程100 mm。

2.5 料倉(cāng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要求，樣機(jī)需要設(shè)計(jì)料倉(cāng)機(jī)構(gòu)存放物料，料倉(cāng)機(jī)構(gòu)三維模型如圖12所示。料倉(cāng)機(jī)構(gòu)主要由單軸機(jī)器人、腳座、框架、底板、傳感器等組成，單軸機(jī)器人用于做豎直方向的直線運(yùn)動(dòng)，往下運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存疊放物料，往上運(yùn)動(dòng)是為Z軸機(jī)構(gòu)提供吸附的物料；腳座用于固定單軸機(jī)器人和外部框架，需要比較高的強(qiáng)度和硬度，故使用鋼材制造；外部框架是為了規(guī)范每個(gè)倉(cāng)位空間，防止物料疊亂、掉落等；底板用于將料倉(cāng)機(jī)構(gòu)固定在鋁型材框架上，方便移動(dòng)；傳感器用于檢測(cè)物料狀況、計(jì)數(shù)等。

圖12 料倉(cāng)機(jī)構(gòu)三維圖

料倉(cāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊與X軸結(jié)構(gòu)類似，料倉(cāng)機(jī)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)為單軸機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其計(jì)算過(guò)程類似于X軸機(jī)構(gòu)的計(jì)算，故不更多陳述。

2.6 機(jī)架

機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是用于固定三軸機(jī)器人，為了提高設(shè)備的工作強(qiáng)度和穩(wěn)定性，采用龍門式結(jié)構(gòu)，三維模型結(jié)構(gòu)如圖13所示。支撐柱是用方鋼、筋和上下兩塊鋼板利用焊接技術(shù)連接的，目的是節(jié)約材料，減少加工制造成本，主要作用是將X、Y、Z三軸機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)架固定在鋁型材框架上；支撐板主要作用是固定Y軸機(jī)構(gòu)，調(diào)解兩個(gè)支撐柱的安裝距離，與支撐柱一起用于支撐、固定作用。

圖13 機(jī)架三維模型

2.7 鋁型材框架

為了加強(qiáng)各機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系，方便自動(dòng)上料單元自由移動(dòng)，提高機(jī)器的美觀性，設(shè)計(jì)了鋁型材框架，如圖14所示。鋁型材框架是用60 mm×60 mm 的鋁型材通過(guò)角碼連接搭建的，其結(jié)構(gòu)牢固，搭建方便，制造成本低。底板用于固定機(jī)架和料倉(cāng)機(jī)構(gòu)，起連接固定作用；腳輪是方便機(jī)器必要之時(shí)用于移動(dòng)，使用的是怡合達(dá)的萬(wàn)向輪；腳杯用于機(jī)器的固定支撐作用，通過(guò)扭轉(zhuǎn)螺母可調(diào)節(jié)距離。鋁型材框架整體結(jié)構(gòu)合理、緊湊，尺寸安排正確，具有設(shè)計(jì)美觀性。

圖14 鋁型材框架三維模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要圍繞全自動(dòng)接觸器包裝盒產(chǎn)線自動(dòng)上料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開。前期通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)資料進(jìn)行收集、調(diào)研，了解國(guó)內(nèi)外上料機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以及上料機(jī)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用和相關(guān)機(jī)構(gòu)模型方案。在研究文獻(xiàn)資料、客戶需求等基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)上料單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、三維建模、有限元分析等。最終設(shè)計(jì)出一種料倉(cāng)式懸臂直角坐標(biāo)式自動(dòng)上料單元結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型主要分為6個(gè)功能模塊，分別為X軸機(jī)構(gòu)、Y軸機(jī)構(gòu)、Z軸機(jī)構(gòu)、料倉(cāng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架和鋁型材框架單元模塊。對(duì)于上料機(jī)構(gòu)的模型結(jié)構(gòu)，通過(guò)靜力學(xué)有限元分析，對(duì)模型方案進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)方案的可行性和準(zhǔn)確性。