端拾器系统设计及相关计算

骆金才

（广东库迪二机激光装备有限公司，佛山 528305）

端拾器系统是工业化生产过程中用于物件抓取和搬运的一种自动化设备，可以有效提高工业生产效率，降低人工成本。端拾器系统集机械臂、传感器系统、控制系统和末端执行器等多个组件于一体，具有高精度、高效率、灵活性等特点，可以实现对不同形状、不同尺寸、不同重量物件的自动化抓取和搬运，应用领域覆盖电子制造、物流仓储和汽车制造等。针对端拾器系统的结构设计、传感器选择与布置、吸盘负荷和数量的计算等进行研究，旨在提供一个完整可靠的端拾器系统设计方案，以满足工业化生产过程中的物件抓取和搬运需求。

1 端拾器系统概述

1.1 系统功能和特点

端拾器系统能够自动实现物件的准确抓取和快速搬运功能[1]。端拾器系统通过控制系统设置相关程序或指令，实现物件的自动上下料操作，从而减少人工操作，避免了人为失误并提高了生产效率。

端拾器系统具有较好的灵活性和适应性，可针对不同的工作场景和物件类型进行调整和优化。主要是利用夹爪、磁铁或吸盘等装置进行调整，使系统够适应不同尺寸和形状的物件[2]。端拾器系统中配置了传感器系统，可以提升物件抓取和搬运过程中的安全性和准确性，避免出现抓伤碰伤物件的情况。因此，端拾器系统能够以更快的速度、更精确的动作不间断地执行各项生产任务，从而缩短产品生产周期，提高企业产能[3]。

1.2 系统组成部件及其工作原理

端拾器系统由机械臂、传感器系统、控制系统、执行器及末端执行器等部件组成，通过各部件相互协同工作实现物件抓取和搬运的功能。

机械臂是系统的核心组件，通过液压进行驱动，使系统的末端执行器能够在三维空间内进行精确的定位和移动。机械臂可根据预先设定的路径和动作，将夹爪或吸盘等末端执行器装置准确地移到目标物件的位置。

传感器系统用于采集物件的位置、形状及系统自身状态等信息数据。传感器系统主要包括视觉传感器、力传感器和温度传感器等，为控制系统提供准确的物件位置和状态信息数据，并作为决策依据。

控制系统属于端拾器系统的“大脑”，负责控制和协调各个组件的工作。它接收传感器反馈的数据，并根据预设的程序和算法，做出相应的决策和指令。控制系统可以与外部设备或主控制系统进行通信，实现系统的智能化和自动化操作。

执行器主要是将控制信号转化为实际动作，末端执行器则用于抓取、放置和运输物件。一般的末端执行器主要是夹爪、吸盘等装置，主要用于实现物件的抓取和搬运功能。其中吸盘类型的末端执行器种类较多，可以根据不同尺寸、形状和重量的物件进行调整和优化。吸盘类末端执行器通过控制系统与真空系统的操作，可以牢牢吸附物件，实现精确的抓取和搬运。

端拾器系统工作时，系统首先接收任务指令和参数，然后传感器系统根据环境感知物件的信息，机械臂再根据传感器反馈的数据进行准确移动定位，吸盘根据预设物件重量的方式进行真空吸附抓取物件，最后机械臂将物件移动到指定位置完成搬运任务。

2 系统设计

2.1 结构设计

端拾器系统主要包括支撑件、连接件、控制系统、机械臂、传感器及末端执行器等组件，系统结构设计直接影响系统的搬运精度、稳定性和可靠性。因此，在结构设计的过程中需要综合考虑所需搬运物件的类型、尺寸、重量、姿态以及运动过程中的惯性力等因素。同时，要考虑结构的紧凑性和灵活性，以及特殊工况的需求，如高温或有害气体环境[4-5]。针对这些因素进行综合考虑，研究的端拾器系统结构设计如图1 所示。该端拾器系统的结构设计具备精确搬运、高效工作、可靠稳定和灵活适应等特点。

图1 端拾器系统的结构

2.2 传感器选择与布置

在端拾器系统中，传感器主要用于采集环境和物件等相关信息。不同类型的传感器所采集信息各不相同，研究的端拾器系统中的传感器主要涉及视觉传感器、位置传感器、温度传感器等。视觉传感器可以采集物件的位置和形状等信息。位置传感器测量机械臂和末端执行器吸盘的位置信息，确保准确定位和物件运动轨迹的控制。温度传感器用于监测物件的温度变化，防止物件在高温处理后表面温度过高而损伤吸盘，导致吸盘无法有效地吸附物件，确保端拾器系统的安全性和稳定性。传感器的位置需要根据具体需求进行设计，选择合适的位置和安装方式，便于传感器采集物件和环境信息数据，满足后续传感器的维修保养要求，确保端拾器系统的安全性和稳定性。

2.3 真空系统的布局设计

研究的端拾器系统末端执行器采用吸盘类型，因此需要增加吸盘真空系统设计，以满足吸盘吸附功能需求。该真空系统主要包括二联件、供给方向阀、真空发生器、破坏方向阀及节流阀等组件。通过对这些组件的合理布局设计，可以有效提升吸盘系统的稳定性和吸附效果。端拾器系统的气路管路布局设计如图2 所示。

图2 气路管路布局图

3 相关计算

3.1 吸盘负荷运动工况的相关计算

端拾器系统中的真空系统为吸盘提供了负压力，但吸盘实际所需负压力的大小需要根据吸盘运动工况进行计算。

根据吸盘运动工况的不同进行相关吸盘负荷的计算，可保证端拾器系统在不同负荷情况下的性能和稳定性。通过对物件拾取、搬运、放置等运动情况进行分析，端拾器系统的吸盘运动工况主要分为吸盘水平放置后水平移动、吸盘垂直放置后垂直移动以及吸盘水平放置后垂直移动等3 种工况。针对上述运动工况，进行吸盘负荷能力的计算。

当吸盘水平放置，水平移动物件时，吸盘在该工况下的最大负荷FTH为

式中：m为吸盘负荷物件质量，kg；g为重力加速度，m·s-2；a为端拾器系统自身加速度，m·s-2；μ为吸盘材质与负荷工件的表面摩擦系数；s为安全系数。

当吸盘垂直放置，垂直移动物件时，吸盘在该工况下的最大负荷FTH为

当吸盘水平放置，垂直移动物件时，吸盘在该工况下的最大负荷FTH为

3.2 吸盘数量计算

完成吸盘最大负荷需求的计算后，即可进行吸盘数量的计算。最大负荷吸附力与压强关系公式为

式中：P为真空度，MPa；A为吸盘面积，mm2；D为吸盘直径，mm；N为吸盘数量，个。

因此，将式（4）转化成式（5），即可在设计中根据不同工况计算出所需的吸盘数量，完成端拾器系统设计。

4 结语

端拾器系统在电子制造、物流仓储、汽车制造等行业中都有广泛应用。通过自动化抓取、搬运和装配物件，大大提高了制造行业产品生产效率、降低了操作风险，并改善了生产质量。在电子制造行业中，端拾器系统可以自动抓取小型元件进行装配和分拣。在物流和仓储行业，它实现了快速、准确的分拣和存储物件。在汽车制造领域，端拾器系统加快了装配速度，保证了产品装配质量的稳定性。因此，通过对端拾器系统的合理设计和计算，可以保证系统的稳定性和性能，并根据不同工作场景的需求进行优化。随着智能化技术的发展，端拾器系统将进一步提高自动化水平和智能化程度，为各个行业提供更高效、安全和可靠的物件抓取和搬运解决方案。