李贺军 , 翟梽锦 , 任小中
(1.黄河交通学院机电工程学院,河南 焦作 454950;2.焦作市智能机器人工程技术研究中心,河南 焦作 454950)
工业机器人具有速度快、效率高、可节约人工成本等优势,在食品行业有着广泛的应用,可用于上料、搬运、装卸、分拣、码垛、包装等工序[1-3]。但目前常用的多关节型机器人、SCARA 型机器人、平行杆型机器人成本较高,直角坐标机器人、圆柱坐标机器人等虽然成本较低[4-5],但自由度低,灵活性差,这些因素限制了工业机器人在小企业中的推广与应用,也制约了小企业生产智能化、自动化的发展[6-8]。基于此,本文设计了一种低成本的小型码垛机器人,能实现90°、60°、45°等定角度摆臂,同时具有移动功能,可用于饼干、沙琪玛、薯片、香肠等箱装食品的搬运和码垛工作,也可以配合企业现有的食品生产线,灵活解决小批量、个性化订单的上下料问题[9-10]。
如图1 所示,轮式食品码垛机器人主要由车体驱动机构、机械臂升降机构、夹爪平移机构、机械臂旋转机构和夹爪机构组成。车体驱动机构可以采用驱动带轮加同步带的形式带动后轮运动;机械臂升降机构可以通过电机丝杠机构将机械臂和滑块连接在一起,电机正转带动机械臂沿着导柱下移,电机反转则机械臂上移;夹爪平移机构可以采用驱动带轮加同步带的形式,电动机转动使夹爪沿着导轨左右移动;机械臂旋转机构采用槽轮机构,电动机带动旋转机构主动拨盘,通过圆柱销带动槽轮转动,可实现定角度间歇运动;夹爪机构采用双气缸夹紧机构,可以实现快速夹紧和卸料的目标,同时,上面也设有气缸,用于配合升降机构拓展上下工作空间。
图1 总体方案设计图
机器人车体驱动采用两后轮独立驱动,前轮随动的轮式机构,机器人运动机构分析如图2所示。
假设机器人的方向轮相对于车体纵轴的旋转角度为φ,车体纵轴与X 轴的夹角为θ,左轮速度为V1,右轮速度为V2,车体速度为Vp, 驱动轮轴距为B,则:
X 向速度分量:
Y 向速度分量:
假设V1=0,则车体角速度w1=;假设V2=0,则车体角速度w2=
根据运动合成,此时车体角速度为:
机器人运动学方程为:
车体转动半径r为:
当V1和V2速度相反时,|V1+V2|<|V2-V1|,r<B/2,机器人在实际作业时,只需控制V1和V2的速度大小,即可以实现小半径转弯和零半径回转,能够适应狭窄通道和紧凑型食品生产车间。
图2 机器人运动机构分析
轮式食品码垛机器人的主要设计内容包括电动机的选型计算、同步带传动设计、丝杠传动设计、轴的设计与校核、轴承的选型与校核、键的选择与校核、联轴器的选择、导轨的选型计算、导柱的设计校核、气缸的选择、夹紧机构设计、槽轮机构设计等,其中,车体轴承的计算校核如下:
初选6206 型深沟球轴承,量动载荷P为:
式中,X为径向载荷系数(X=1);Y为轴向载荷系数(Y=0);径向载荷Fr=2 136.4 N;轴向载荷Fa表示支撑轴主要承受的径向力(Fa=0)。
基本额定寿命为:
式中,Cr为基本额定动载荷(Cr=15.2 kN);ft为温度系数,工作温度小于100 ℃时,取ft=1;fp为载荷系数,工作时冲击较小,取fp=1;ε为轴承寿命指数,球轴承取ε=3;轴承转速n=88.4 r/min;预期寿命L=48 000 h(10年,2 班制)。
可以得出:L<L10h,轴承寿命合格。
基于SolidWorks 三维设计平台,设计了拨盘、槽轮、车体、驱动轮、导向轮、夹爪、导柱、丝杠、导轨、机械臂等共计83 个零部件,部分零部件的三维造型如图3所示。
图3 部分零部件三维造型
该机器人的装配设计主要包括末端执行器的装配设计、机械臂的装配设计、升降机构的装配设计以及车体的装配设计等,经过干涉检查、间隙验证、孔对齐等评估,装配方案合理,机器人总装图如图4所示。
图4 机器人总装图
机器人移动由驱动电机11 通过同步带1 与同步带9 传动带动后轮8 实现;机械臂升降运动由升降电机22 通过丝杠机构实现;机械臂旋转运动由旋转电机13 通过槽轮机构控制,可实现90°定角度转动,另外通过更换不同的槽轮机构,可实现60°、45°等定角度摆臂运动,在间歇期,可以完成食品箱的夹持和卸料工作。其主要技术参数有:长宽高(1 800 mm*1 210 mm*1 750 mm),整机质量(210 kg),自由度(5),车体移动速度(5 km/h),最大承载量(8 kg),机械臂工作空间(上下为910 mm,左右为778 mm,定角度为90°)。
1)机器人零部件结构设计合理,经装配评估,无干涉、间隙、孔未对齐等问题,装配设计合理,能实现机械臂旋转、升降和平移动作。
2)车体采用两后轮独立驱动,前轮随动的驱动方式,可以实现小半径转弯和零半径回转运动,适用于狭窄通道和紧凑型车间。
3)通过更换不同的槽轮机构,可以实现机械臂的45°、60°、90°等定角度旋转运动,适用于角度固定的码垛作业操作。本研究可以为移动食品码垛机器人的设计提供一定参考。