高速码垛机械手的设计与仿真

高速码垛机械手的设计与仿真

码称重技术是物流自动化技术领域的一项新兴技术，尤其是近年来在运输行业占有重要地位。随着经济的发展和生产规模的扩大，科学技术的水平不断提高，尤其是机器人领域的技术，其在机械结构、适用范围、设备覆盖物的空间、灵活性、成本和维护方面发挥着越来越重要的作用。目前，代码机器人已广泛应用于医药、石化、食品、家电、农业等许多领域。码臂机器人作为码臂机器人的重要组成部分之一，其工作性能、可靠性、结构、质量和形状参数对整个加农炮机器人的工作性能具有重要意义。作者在江苏省一家生产板厂的代码认证要求下，设计了一种新型高速码臂机械手，并围绕项目的核心问题进行了分析和计算。1码垛能力.2码放物:包装袋;码盘尺寸:1400mm×1200mm;码放高度:8~10层,约2500mm.码垛能力:1200袋/h(不包括更换码盘时间).包装袋最小尺寸为700mm×400mm×140mm,最小质量为20kg;包装袋的最大尺寸为900mm×600mm×250mm,最大质量为50kg.2适于码垛的机械手在包装袋的码垛作业中,末端执行器通常采用机械手爪(叉子)结构,由汽缸驱动手爪及其支架摆动实现对包装袋的抓包和放包动作.但这种机械手在抓包和搬运过程中,所有的载荷最终均传递到汽缸上,而且,为了保证放包时叉子顺利取出,在机械手与码盘上已垛好的包之间有一定距离时就必须开始放包操作,这种码垛方式码出的垛型不好,容易出现塌垛现象.经过分析与比较,提出一种用于包装袋码垛的机械手结构方案,可以有效避免上述问题.总体结构方案如图1所示.该机械手由手指开合机构、侧板夹紧机构和压袋机构组成,分别完成抓包、放包、夹包和压袋动作.2.1控制合理的拉紧机构该机构为由移动凸轮机构和连杆机构组成的组合机构,主要完成码垛操作中的抓包、放包动作.抓包时,手指开合汽缸活塞杆15伸出,带动凸轮16水平移动,并推动滚子从动件13向下运动,再通过连杆12驱动手指11摆动到图1所示位置.放包时,活塞杆15缩回,在整个机械手上升的同时,手指11在包装袋重力及从动件13的弹簧恢复力的作用下张开,以准备下一个抓包动作.该手指开合机构的特点在于抓包及搬运作业时凸轮轮廓的远休止段与从动件接触,即机构始终处于自锁状态,不但避免了由于汽缸输出力不够而产生的掉包现象,而且使汽缸活塞杆承受的载荷大为减小,仅受摩擦力及搬运过程中的惯性力和离心力作用.2.2缩回,成控制装置该机构主要完成码垛操作中夹紧包装袋的动作.工作时,侧板开合汽缸活塞杆9缩回,带动两侧板1互相靠近,从而完成夹紧动作.当活塞杆9完全伸出时,两侧板之间的距离最大,从而使张开的手指之间的宽度大于包装袋的宽度,以保证机械手的手指准确、可靠地落于生产线末端包装袋下面的运输辊之间,为夹紧动作做准备.2.3抓包装.压板该机构一方面主要完成码垛操作中压紧包装袋的动作;另一方面防止机械手所抓包装袋在机器人高速回转过程中由于惯性被甩出.工作时,压袋汽缸活塞杆5伸出,直接带动压板6压紧包装袋.当包装袋放于码盘后,活塞杆5缩回,压板6上升,为下一循环做准备.3维建模及装配结构在对上述方案进行设计与分析的基础上,对该码垛机械手进行了详细的结构设计,在Pro/E软件平台上建立了组成该码垛机械手的所有零部件的三维CAD模型及装配模型.此外,在结构设计的过程中,还分别以机械手的强度、刚度、质量、体积以及成本等为目标对部分关键零部件的结构进行了优化设计,整个机械手的装配结构如图2所示.4关键分析4.1机械手的动作控制该码垛机器人的码垛能力指标为1200袋/h,即每3s完成一个工作循环.机器人的搬运操作时间为2.6s,而留给机械手的操作时间仅为0.4s.因此,要想在这么短的时间内完成抓包与放包操作,必须综合考虑多种因素,详细规划该机械手的手指开合、侧板开合以及放、压袋等动作,以确定合理的前后动作关系,从而保证按要求时间完成工作循环.组成该机械手3个机构的工作循环图如图3所示.4.2最大旋转惯量的确定在高速码垛操作中,码垛机器人和机械手的运动速度和加速度很大,特别是位于机器人末端的机械手,其惯性力和离心力不可忽视,因此,在选择汽缸时必须综合考虑.下面以左侧板开合汽缸为例说明其动力学选型方法,其受力计算简图如图4所示.图中,F1和F2分别为左侧板和包装袋相对于1轴产生的离心力;F3和F4分别为左侧板和包装袋相对于2轴产生的离心力和惯性力.该实例中,已知左侧板的质量m1=14.05kg,包装袋的质量m2=50kg.设码垛机器人本体底座的旋转轴为1轴,机械手的自转轴为2轴.1轴、2轴的最大角速度和最大角加速度分别为:ω1=2.042rad/s,α1=6.81rad/s2;ω2=4.486rad/s,α2=29.90rad/s2.机械手绕1轴的最大旋转半径r1=2.7m,绕2轴的最大旋转半径r2=0.3m.利用Pro/E的模型分析功能,可以很方便地计算出左侧板及包装袋分别对1,2轴的转动惯量,分别为:I板-1=127.58kg·m2,I板-2=1.86kg·m2;I袋-1=369.00kg·m2,I袋-2=4.50kg·m2.根据以上已知条件,左侧板所受到的径向力为(力的单位均为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,左侧板所承受的最大径向动态载荷为Fd=F1+F2+F3+F4=1048.0.由于机械手的侧板由导轨通过直线轴承支撑,为滚动摩擦,设其摩擦因数f=0.05,则左侧板所承受的静载荷为Fj=0.05×14.05×9.8=6.9.显然,机械手的动态载荷要远大于静态载荷.因此,在选择侧板开合汽缸型号时,必须进行动力学分析.4.3气动系统的设计在该码垛机械手中,各机构的动作均采用气动驱动实现.因此,气动系统设计的合理与否直接影响到码垛机械手的工作性能、可靠性、质量以及成本等.在本气动系统中,为了保证汽缸活塞杆的速度稳定性和各动作的协调性,气动执行元件采用带磁性开关的双电控汽缸,并采用排气节流方式,以确保稳定的输出速度.同时,为了降低成本,在确保流量的情况下,采用一个电磁换向阀带动两个汽缸的方式.该机械手的气路系统如图5所示.5板成机械手针对具体的包装袋规格和码垛技术要求,设计并实现了一种新型的高速码垛机械手结构,该机械手采用气压驱动,并通过手指开合机构、侧板夹紧机构和压袋机构,实现了包装袋的可靠抓包、搬运和码放等动