高速碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真

高速碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真

碼稱重技術(shù)是物流自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，尤其是近年來在運(yùn)輸行業(yè)占有重要地位。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，科學(xué)技術(shù)的水平不斷提高，尤其是機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)，其在機(jī)械結(jié)構(gòu)、適用范圍、設(shè)備覆蓋物的空間、靈活性、成本和維護(hù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，代碼機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石化、食品、家電、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域。碼臂機(jī)器人作為碼臂機(jī)器人的重要組成部分之一，其工作性能、可靠性、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和形狀參數(shù)對(duì)整個(gè)加農(nóng)炮機(jī)器人的工作性能具有重要意義。作者在江蘇省一家生產(chǎn)板廠的代碼認(rèn)證要求下，設(shè)計(jì)了一種新型高速碼臂機(jī)械手，并圍繞項(xiàng)目的核心問題進(jìn)行了分析和計(jì)算。1碼垛能力.2碼放物:包裝袋;碼盤尺寸:1400mm×1200mm;碼放高度:8~10層,約2500mm.碼垛能力:1200袋/h(不包括更換碼盤時(shí)間).包裝袋最小尺寸為700mm×400mm×140mm,最小質(zhì)量為20kg;包裝袋的最大尺寸為900mm×600mm×250mm,最大質(zhì)量為50kg.2適于碼垛的機(jī)械手在包裝袋的碼垛作業(yè)中,末端執(zhí)行器通常采用機(jī)械手爪(叉子)結(jié)構(gòu),由汽缸驅(qū)動(dòng)手爪及其支架擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝袋的抓包和放包動(dòng)作.但這種機(jī)械手在抓包和搬運(yùn)過程中,所有的載荷最終均傳遞到汽缸上,而且,為了保證放包時(shí)叉子順利取出,在機(jī)械手與碼盤上已垛好的包之間有一定距離時(shí)就必須開始放包操作,這種碼垛方式碼出的垛型不好,容易出現(xiàn)塌垛現(xiàn)象.經(jīng)過分析與比較,提出一種用于包裝袋碼垛的機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案,可以有效避免上述問題.總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示.該機(jī)械手由手指開合機(jī)構(gòu)、側(cè)板夾緊機(jī)構(gòu)和壓袋機(jī)構(gòu)組成,分別完成抓包、放包、夾包和壓袋動(dòng)作.2.1控制合理的拉緊機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)為由移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)組成的組合機(jī)構(gòu),主要完成碼垛操作中的抓包、放包動(dòng)作.抓包時(shí),手指開合汽缸活塞桿15伸出,帶動(dòng)凸輪16水平移動(dòng),并推動(dòng)滾子從動(dòng)件13向下運(yùn)動(dòng),再通過連桿12驅(qū)動(dòng)手指11擺動(dòng)到圖1所示位置.放包時(shí),活塞桿15縮回,在整個(gè)機(jī)械手上升的同時(shí),手指11在包裝袋重力及從動(dòng)件13的彈簧恢復(fù)力的作用下張開,以準(zhǔn)備下一個(gè)抓包動(dòng)作.該手指開合機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于抓包及搬運(yùn)作業(yè)時(shí)凸輪輪廓的遠(yuǎn)休止段與從動(dòng)件接觸,即機(jī)構(gòu)始終處于自鎖狀態(tài),不但避免了由于汽缸輸出力不夠而產(chǎn)生的掉包現(xiàn)象,而且使汽缸活塞桿承受的載荷大為減小,僅受摩擦力及搬運(yùn)過程中的慣性力和離心力作用.2.2縮回,成控制裝置該機(jī)構(gòu)主要完成碼垛操作中夾緊包裝袋的動(dòng)作.工作時(shí),側(cè)板開合汽缸活塞桿9縮回,帶動(dòng)兩側(cè)板1互相靠近,從而完成夾緊動(dòng)作.當(dāng)活塞桿9完全伸出時(shí),兩側(cè)板之間的距離最大,從而使張開的手指之間的寬度大于包裝袋的寬度,以保證機(jī)械手的手指準(zhǔn)確、可靠地落于生產(chǎn)線末端包裝袋下面的運(yùn)輸輥之間,為夾緊動(dòng)作做準(zhǔn)備.2.3抓包裝.壓板該機(jī)構(gòu)一方面主要完成碼垛操作中壓緊包裝袋的動(dòng)作;另一方面防止機(jī)械手所抓包裝袋在機(jī)器人高速回轉(zhuǎn)過程中由于慣性被甩出.工作時(shí),壓袋汽缸活塞桿5伸出,直接帶動(dòng)壓板6壓緊包裝袋.當(dāng)包裝袋放于碼盤后,活塞桿5縮回,壓板6上升,為下一循環(huán)做準(zhǔn)備.3維建模及裝配結(jié)構(gòu)在對(duì)上述方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)上,對(duì)該碼垛機(jī)械手進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在Pro/E軟件平臺(tái)上建立了組成該碼垛機(jī)械手的所有零部件的三維CAD模型及裝配模型.此外,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中,還分別以機(jī)械手的強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、體積以及成本等為目標(biāo)對(duì)部分關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),整個(gè)機(jī)械手的裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示.4關(guān)鍵分析4.1機(jī)械手的動(dòng)作控制該碼垛機(jī)器人的碼垛能力指標(biāo)為1200袋/h,即每3s完成一個(gè)工作循環(huán).機(jī)器人的搬運(yùn)操作時(shí)間為2.6s,而留給機(jī)械手的操作時(shí)間僅為0.4s.因此,要想在這么短的時(shí)間內(nèi)完成抓包與放包操作,必須綜合考慮多種因素,詳細(xì)規(guī)劃該機(jī)械手的手指開合、側(cè)板開合以及放、壓袋等動(dòng)作,以確定合理的前后動(dòng)作關(guān)系,從而保證按要求時(shí)間完成工作循環(huán).組成該機(jī)械手3個(gè)機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖如圖3所示.4.2最大旋轉(zhuǎn)慣量的確定在高速碼垛操作中,碼垛機(jī)器人和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和加速度很大,特別是位于機(jī)器人末端的機(jī)械手,其慣性力和離心力不可忽視,因此,在選擇汽缸時(shí)必須綜合考慮.下面以左側(cè)板開合汽缸為例說明其動(dòng)力學(xué)選型方法,其受力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示.圖中,F1和F2分別為左側(cè)板和包裝袋相對(duì)于1軸產(chǎn)生的離心力;F3和F4分別為左側(cè)板和包裝袋相對(duì)于2軸產(chǎn)生的離心力和慣性力.該實(shí)例中,已知左側(cè)板的質(zhì)量m1=14.05kg,包裝袋的質(zhì)量m2=50kg.設(shè)碼垛機(jī)器人本體底座的旋轉(zhuǎn)軸為1軸,機(jī)械手的自轉(zhuǎn)軸為2軸.1軸、2軸的最大角速度和最大角加速度分別為:ω1=2.042rad/s,α1=6.81rad/s2;ω2=4.486rad/s,α2=29.90rad/s2.機(jī)械手繞1軸的最大旋轉(zhuǎn)半徑r1=2.7m,繞2軸的最大旋轉(zhuǎn)半徑r2=0.3m.利用Pro/E的模型分析功能,可以很方便地計(jì)算出左側(cè)板及包裝袋分別對(duì)1,2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,分別為:I板-1=127.58kg·m2,I板-2=1.86kg·m2;I袋-1=369.00kg·m2,I袋-2=4.50kg·m2.根據(jù)以上已知條件,左側(cè)板所受到的徑向力為(力的單位均為N)F1=m1(r1+r2)ω21=14.05×(2.7+0.3)×2.0422=175.8?F2=m2r1ω21=50×2.7×2.0422=562.9?F3=m1r2ω22=14.05×0.3×4.4862=85.0?F4=I袋?2α22r2=4.5×29.92×0.3=224.3.F1=m1(r1+r2)ω12=14.05×(2.7+0.3)×2.0422=175.8?F2=m2r1ω12=50×2.7×2.0422=562.9?F3=m1r2ω22=14.05×0.3×4.4862=85.0?F4=Ι袋-2α22r2=4.5×29.92×0.3=224.3.因此,左側(cè)板所承受的最大徑向動(dòng)態(tài)載荷為Fd=F1+F2+F3+F4=1048.0.由于機(jī)械手的側(cè)板由導(dǎo)軌通過直線軸承支撐,為滾動(dòng)摩擦,設(shè)其摩擦因數(shù)f=0.05,則左側(cè)板所承受的靜載荷為Fj=0.05×14.05×9.8=6.9.顯然,機(jī)械手的動(dòng)態(tài)載荷要遠(yuǎn)大于靜態(tài)載荷.因此,在選擇側(cè)板開合汽缸型號(hào)時(shí),必須進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.4.3氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在該碼垛機(jī)械手中,各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn).因此,氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到碼垛機(jī)械手的工作性能、可靠性、質(zhì)量以及成本等.在本氣動(dòng)系統(tǒng)中,為了保證汽缸活塞桿的速度穩(wěn)定性和各動(dòng)作的協(xié)調(diào)性,氣動(dòng)執(zhí)行元件采用帶磁性開關(guān)的雙電控汽缸,并采用排氣節(jié)流方式,以確保穩(wěn)定的輸出速度.同時(shí),為了降低成本,在確保流量的情況下,采用一個(gè)電磁換向閥帶動(dòng)兩個(gè)汽缸的方式.該機(jī)械手的氣路系統(tǒng)如圖5所示.5板成機(jī)械手針對(duì)具體的包裝袋規(guī)格和碼垛技術(shù)要求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的高速碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu),該機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng),并通過手指開合機(jī)構(gòu)、側(cè)板夾緊機(jī)構(gòu)和壓袋機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了包裝袋的可靠抓包、搬運(yùn)和碼放等動(dòng)