饮料箱码垛机器人的末端执行器设计与模态分析

印刚 管亚狮 袁明新

面向液态食品，集吹瓶、灌装、旋盖、包装、储运等生产过程的产存一体智能成套装备是由江苏新美星包装机械股份有限公司自主研发，属国内首创。该装备能有效帮助客户降低生产运营成本，提高生产效率和能源利用率。而高效包装输送单元是装备中的重要一环，主要利用工业机器人实现饮料瓶的装箱和码垛等转运。而码垛机器人末端执行器的结构设计是否合理对转运效率和稳定性至关重要，一直是工业机器人应用的关键技术。李营等[1]针对多规格箱体的码垛需要，设计了真空吸盘式机器人末端执行器来提高码垛效率，刘明保等[2]提出了带有钳口“手指”的抓取器，杨传民等[3]针对不同类型和规格包装件的码垛需求，设计了铲式抓取器和吸附式抓取器两种方案，高颖超等[4]针对超大尺寸瓷板的码垛需求，利用真空吸盘设计了瓷板码垛机器人的码垛手爪，实现了大尺寸瓷板的可靠抓取、搬运和码放。由上可以看出，设计匹配产品尺寸和规格的机械手是码垛效率和稳定性的关键。为了实现液态食品产存一体智能成套装备中饮料箱的高效码运，文中设计了一种指形末端执行器[5]，并对其关键部件进行了校核，对负载下的码垛机器人进行了模态分析，校核和力学分析都验证了设计的有效性。

1 码垛机器人末端执行器设计

本设计以15kg饮料箱为码垛对象，机器人选择ABB公司的IRB660系列机型。为了有效防止码垛过程中的饮料箱掉落，末端执行器采用夹持式机构，如图1所示。执行器主要由左右对称的多组曲柄和“L”形手指组成，手指通过气缸驱动实现抓取和释放。考虑到饮料箱在搬运过程中会出现的移动晃动现象，设计中采用了压圈来进行饮料箱的上部压实。

图1 码垛机器人及其末端执行器

2 末端执行器校核计算

末端执行器中主要承重结构是手爪部分，因此文中重点针对该部分进行力的校核计算。由图1可以看出，该手爪由左右对称的多组曲柄和“L”形手指组成，设计中共有12组，而码垛对象是15kg饮料箱

因此手爪共承重约150N，而单个手指承重约为12.5N。为了便于计算，将手指指尖看成长方体，则整个手指就成为一个175mm×13mm×10mm的长方体。手指截面对中性轴的静矩为：

式中，b为手指截面宽度，h为手指截面高度，y为手指横截面上距中性轴的距离。

将式(1)代入切应力公式：

式中，Fs为手指横截面上作用剪力，Iz为截面对中性轴的惯性矩。

手指横截面上距中性轴为y处横线上各点切应力：

当y=0时，切应力最大，且为：

故所设计末端执行器符合要求。

3 码垛机器人及其执行器的模态分析

为了进一步检验码垛机器人工作过程中的稳定性，文中对外载荷作用下的码垛机器人及其末端执行器进行了模态分析。

分析中首先利用Solidworks进行码垛机器人及其执行器的三维建模，然后导入Workbench，并进行网格划分得到如图2所示结果。

图2 码垛机器人网格划分

设计中的机器人基座与地面通过螺栓固定，在添加约束时，采用固定约束方式约束底座螺栓孔的轴向、径向及周向的所有自由度。载荷是以末端执行器重量20kg，饮料箱重量15kg为前提进行施加。

在完成约束、载荷施加后先进行模型的等效应力、位移和等效应变的静力学分析，并将分析结果作为初始条件进行模态分析，从而获得如表1所示的前十二阶模态结果。

表1 前十二阶模态结果

前六阶振型较小，为刚体模态，机器人7-12阶模态固有频率和最大变形值如图3所示。

图3 码垛机器人整机7-12阶振型图

由表1和图3可以看出，后六阶频率主要集中在5-35HZ。第七阶振型表现为三脚架沿Z轴移动，最大变形为1.428mm；第八阶振型表现为末端执行器沿Y轴移动，最大变形为1.3782mm；第九阶振型变形表现为末端执行器沿Y轴转动，最大位移量为1.5527mm；第十阶振型表现为末端执行器底部沿X轴发生移动，最大变形量为2.0551mm；第十一阶振型表现为末端执行器底部绕Z轴发生转动，最大变形量2.0507mm；第十二阶振型表现为小臂连接杆绕X轴发生转动，最大变形量2.7939mm。分析表明，在外加载荷下，码垛机器人整机未出现明显的变形，因此拥有可靠的刚度。

4 结束语

为了提高液态食品产存一体智能成套装备中包装输送单元的转运效率和稳定性，文中设计了一种指形夹持式末端执行器，通过力学校核计算表明末端执行器能满足强度要求，而码垛机器人的整机模态分析表明其在工作过程中能满足刚度要求，稳定性好。