四自由度码垛机器人设计及其应用

陈汕　李兴和　谭泽华　苏日娜

摘要：根据布局紧凑、空间有限的码垛自动化产线对机器人占用空间的特殊要求，设计一种能在狭窄、有限空间的工作单元里进行码垛工作的码垛机器人。常见的垂直关节码垛机器人要达到产线生产时的码垛要求，在处理应用程序时，对空间的要求较高。根据产线对码垛的工艺要求和空间要求，确定码垛机器人的基本技术指标，设计了四自由度水平关节型码垛机器人的机械结构。应用SolidWorks软件构建码垛机器人的三维实体模型，进行模型装配，实现了码垛机器人码垛过程的仿真。为码垛机器人在工业生产中的进一步应用和发展提供借鉴性参考。

关键词：码垛机器人;码垛系统;SolidWorks;模型装配

中图分类号：TP242.2 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0164—03

0引言

码垛是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸、运输等物流活动。在面粉生产的最后环节需要人工将面粉按一定的垛形堆码成垛，面粉生产车间工人劳动强度大，工作环境较为恶劣。根据产线需求，为减轻工人劳动强度，改善工作条件，降低面粉生产成本，产线引进机器人码垛系统。因产线占地面积限制，各周边设备布局紧凑，采用通用四关节码垛机器，在有限的空间内要完成面粉袋在指定位置的取放动作，机器人为规避与周边设备的干涉，会在路径规划过程中取多个过渡点，延长了机器人完成一次抓取的时间周期，影响产线节拍，因此本文设计一种能适用在狭窄、有限空间的工作单元里进行码垛工作的码垛机器人来满足产线需求。

1码垛机器人整体方案

本文以码垛机器人在面粉码垛系统的应用确定码垛机器人的机械结构和参数设计，针对面粉码垛作业进行机器人的具体结构设计、码垛系统设计以及末端执行机构设计。根据产线码垛系统的工作特点和工业机器人类型特征，本文综合了圆柱坐标型机器人的定位精度较关节型机器人高、结构简单、动作范围大并且在动作范围内无奇异点、编程简单、运行速度快等优点和水平关节型机器人占地面积小，可在狭窄范围完成机器人动作的特点，总体方案原理如图1所示。

1.1码垛机器人的技术指标

（1）产品形式：袋装面粉。

（2）产品尺寸：420 min×700 mm×150 mm。

（3）码垛速度：不少于400袋，h。

（4）物品质量：不大于50 kg/每袋。

（5）垛板尺寸：1200mm×1200 mm×210mm。

（6）码垛层数：6层。

1.2码垛机器人结构分析

如图1所示，此水平多关节型码垛机器人包括基座、立柱旋轉驱动链、垂直驱动链、水平驱动链和末端执行机构五部分。基座部分设计为安装座，用于机器人整体固定。立柱旋转驱动链主体设计为支持立柱形式，外加风琴罩防护、配重块及导轨副、链轮链条、齿轮齿条等，采用电机直连RV减速机驱动。垂直驱动链中采用电机直连行星减速机作为驱动部件，为提高机械传动效率，选用齿轮齿条传动方式作为垂直驱动链中的动力传动。驱动部件固定在滑台侧，齿条安装在立柱侧，滑台与立柱通过导轨副相连接，实现滑台的上下运动。为减小垂直驱动链上下运动的传动压力，在立柱内部设置配重块，平衡部分重力。配重原理：利用配重块重力，提供与机械手臂及负载自重重力相反的拉力，以减轻垂直方向上整体的负载。当控制Z轴向上移动出现异常时，为减小z轴撞击时的冲击力及降低撞击对传动部件的损害，在撞击之前，应把配重提供的拉力卸掉，即配重块与配重限位应先接触，滑台与z轴上限位后接触。配重块下滑台通过链条传动连接。链轮通过传动轴，轴承座等安装在立柱顶部;链条与链轮啮合，其一端连接滑台，另一端连接配重块。水平驱动链选择伺服电机作为驱动动力，采用RV减速机作为减速部件，增加传动精度及运动刚性，电机与RV减速机直连，机构简单稳定，易于维护。末端执行机构即抓取面粉的夹治具，整个抓取、放料动作由两组气缸完成，分别为抓料气缸和压料气缸。通过对抓料气缸的控制实现抓手部分的张开和关闭动作，通过对压料气缸的控制实现压板的压料和撤销动作。主要依靠末端执行机构的抓包及旋转调整一定角度的动作，进而摆放到指定位置，实现一定的码垛形式，此种方式使用四自由度码垛机器人即可满足生产需求。本文所设计的水平多关节型码垛机器人避免了码垛机成本高、占用空间大、设备不易维护等缺点，稳定快速实现不同的码垛形式。此种码垛机器人简化了机械机构，降低了制造难度，也减少了产品的成本。

2码垛机器人关键部位及末端执行机构

2.1基座及驱动链

机构主要由立柱、导轨副、齿轮齿条、链轮链条、电机减速机、配重块组件、风琴罩防护等组成。

（1）立柱设计是整个机器人的关键部分，包含了驱动整个机器人旋转的电机与RV减速机直连机构，驱动直驱动链上下运动的电机与行星减速机直连机构以及为减小垂直驱动链上下运动传动压力的配重机构。其总高度3000 mm，有效行程1800 mm，立柱旋转角度为±180°，底面安装面为φ780mm的圆形。

（2）风琴罩通过仿形导轨截面，卡住两侧导轨导向，起到减少零件、简化结构的作用。主要用途为防尘及美观。

（3）后防护盖板与立柱连接，组成直驱动链的框架，加强整体刚性。

（4）基座用于机器人安装，通过地脚螺栓固定于地面，与立柱上的RV减速机输出安装面通过螺栓连接。

（5）配重组件整体在立柱空腔内运动，总质量125kg。通过链轮链条一端与配重块连接，一端与垂直驱动链中的滑台相连。

2.2水平驱动链

水平驱动链选择伺服电机作为驱动动力，采用RV减速机作为减速部件，增加传动精度及运动刚性，电机与RV减速机直连，机构简单稳定，易于维护。

设定各参数：主臂长度950 mm;副臂长度1050 mm;转动角度范围为+135°。根据伺服电机、减速机的尺寸及水平运动传动系统中的受力情况设计承载水平驱动链的主臂、副臂，通过受力分析和强度校核确定主臂、副臂结构、材料、厚度等。码垛机器人方案如图2所示。

2.3末端执行机构

末端执行机构与机器人末端法兰相连接。末端执行机构的主体支撑部分为高强度铝合金板材;主安装架上安装抓料气缸和压料气缸（各两个），压料气缸末端安装压板，当抓取面粉袋时，控制气缸向下运动，使压板压紧面粉袋以防机器人运行时面料袋滑动;抓手安装在主连接臂连杆上，连杆通过轴承座、传动轴等接组成一个可活动的连杆机构，该连杆机构与抓料气缸相连，由气缸提供动力，故此连杆机构可以绕传动轴方向运动。另外在两侧抓手安装支架这间通过丝杆连接，用于调节两侧抓手的开合宽度以适应不同宽度的工件。

末端执行机构的工作情况：末端连接法兰与机器人末端法兰相连接用以吊起整个末端执行机构;末端支架安装在机器人末端安装法兰下面作为末端执行机构的框架;抓手安装在主连接臂连杆上，连杆通过轴承座、传动轴等接组成一个可活动的连杆机构，此运动体在气缸组的带动下绕传动轴旋转方向运动，当开始抓取面粉袋时，此连杆机构绕传动轴旋转方向运动进而驱动抓手托住面粉袋底部;抓手托住面粉袋底部后，控制压料气缸向下运动，使压板压紧面粉袋以防机器人运行时面料袋滑动，而后抓手就可根据现场布局要求将面粉袋搬运到指定位置;面粉袋到达指定位置后需先控制抓料气缸反向运动，将连杆机构绕传动轴方向的相反方向张开抓手，随后控制压料气缸向上运动，将压板升起，完成整个搬运过程。随后进入下一次搬运过程，依次重复。末端执行机构结构如图3所示。

3面粉碼垛系统方案

面粉码垛系统采用机器人工作站形式，机器人工作站的任务是将传送带送出来的面粉袋按预定的要求堆成垛。此系统主要由粗导向传送带、整形传送带、整形装置、打码装置、定位输送带、抓手、托板、机器人组成。其工作过程如图4所示，空托板的送入及成垛托板的移出用叉车完成。面粉装袋完成后进入粗导向传送带，经过粗导向后进入面粉袋整形传送带，进入整形装置后，由气缸驱动整形装置将面粉袋压平，随后打码装置在面粉袋表面喷码标记，最后进入定位输送带，将面粉袋定位，使得机器人能够按要求抓取面粉袋。根据产线的空间布局要求，码垛机器人有效利用了现场狭窄的空间，在有限空间的工作单元里进行码垛工作，提升了码垛效率。

4结束语

本文以面粉码垛系统为例，综合了圆柱坐标型机器人与水平关节型机器人的特点，确定了码垛机器人的结构，并在产线中取得了良好的效果，产线的有限空间得到有效利用，生产效率大幅提高，为今后机器人码垛系统提供了重要指导和参考。