高速包装机器人设计研究

2016-06-13张晓明广东一鼎科技有限公司广东佛山528061

山东工业技术 2016年12期

张晓明（广东一鼎科技有限公司,广东佛山 528061）

高速包装机器人设计研究

张晓明
（广东一鼎科技有限公司,广东佛山 528061）

摘要：对于部分特殊产品来说，受其特点影响，在对其进行包装时为提高工作效率，以及降低对人员造成的安全威胁，就需要利用各项技术做好对包装机器人的研究，与人工包装相比，机器人具有自动化程度高、可靠性强以及灵活性高等优点。在对高速包装机器人进行设计时，需要确定系统主要构成部分，并从不同技术与结构角度进行分析研究，争取不断提高机器人运行稳定性与工作高效性。本文对高速包装机器人的设计进行了研究。

关键词：包装机器人；系统设计；故障处理；结构

以食品、医药行业为例其产品物料质量轻小，并且对生产与包装环境均有十分严格的要求，为确保产品包装效果，必须要在现有基础上对其自动快速包装作业进行研究，不断提高作业的自动化与灵活性，降低外界因素对产品质量造成的影响。高速包装机器人的提出与应用，可以更好的满足特殊行业产品包装需求，为提高机器人运行稳定性与高效性，需要确定关键技术，从软件与硬件着手进行分析，采取措施来降低机器人运行故障发生概率。

1 高速包装机器人概述

高速包装机器人即具有高加速度（＞1g）与高运动速度（＞0.5m/s）的包装机器人系统，对传统串联机器手应用现状来看，因为是将驱动单元设置在各关节结构内部，机器人设计完成后，整体结构大、质量重，不能满足高速包装需求［1］。因此，在对高速包装机器人进行研究设计时，需要以满足切实需求为根本，最好软件与硬件系统分析，对原有结构设计方案进行优化。随着各项新型技术在研究中的应用，现在高速包装机器人在应用上已经十分广泛，尤其是包装工业机器人主要负责大型物件的搬运、装卸与堆码，并完成人们不可接触特殊产品的包装。从作业种类进行分析，包装机器人可以分为装袋机器人、堆码机器人、装箱机器人、灌装机器人以及包装输送机器人等。

2 高速包装机器人设计要点

2.1 精确性

对高速包装机器人进行设计时，需要确保其系统运行效果可以满足实际生产需求，即能够在原有基础上来提升生产线打包速度和质量，并且系统速度在设计上还具有一定的上升空间，为生产线的下次升级预留设计空间。在设计时应做好精确度的控制，即在具有高速功能的同时，还具有较高的定位精度，主要因为在产品包装过程中如果定位不精准，很容易导致物料、产品与送料轨道或其他结构产生碰撞，严重的甚至会导致机器人损坏。

2.2 可靠性

工业机器人在结构与系统设计上，为达到高精度要求，一般设计比较简单，不存在硬件冗余情况，基本上为可靠性比极高的串联模型。因此，在对高速包装机器人进行设计时，在做好对各重要部件设计的基础上，还需要做好对加工精度、装配关系等因素的分析，做好系统运行状态的检测，具有良好的故障诊断能力，可以及时解除机器人故障状态，提高其运作可靠性［2］。

2.3 动态性

高速包装机器人在设计时需要确保其具有高效的作业能力，即具有优良的动态特性，达到高速作业的效果。由此决定了结构设计时，要控制好结构重量与惯量，在确保其具有刚度与强度前提下，对结构尺寸、外形以及拓扑结构进行优化分析。同时，为提高机器人作业效率，同时还需要做好对控制系统的研究分析，争取提高系统运行的稳定性以及响应速度，达到高效运作的目的。

2.4 控制性

为对高速自动包装机器人工作循环间隔时间进行优化，需要做好对快速下行以及快速上行时间的控制，尤其是要注意快速上行与下行换速时会产生较大的冲击振动，进而会降低结构运行的稳定性。基于产品包装实际过程中需要180°旋转特点，为避免机器人转向造成已包装完产品被打散，要着重研究旋转启动与停止阶段的设计，提高系统对运行轨迹控制的效果，利用较高的控制效果来提高机器人运行稳定性。

3 高速包装机器人系统设计

3.1 硬件结构设计

（1）X轴。X轴结构主要负责机器人在水平方向的移动，具有负载大以及位移与行程小等特点，在进行设计时需要重点分析伺服电机与滚珠丝杠，尤其是伺服电机设计效果如何直接决定着机械手的运作性能。为使得高速包装机器人具有高精度与快速响应特点，在确定伺服电机时，应选择较小转动惯量与转矩的设备，同时还要控制好其时间常数与启动电压，并具有较长时间过载能力，可以更好的满足低速大转矩要求。伺服电机电机转速计算公式为：nL=VL/PR，nM=nL·R。其中，nL表示负载轴旋转速度，nM表示电机轴旋转速度［3］。

第一，负载/电机惯量比。惯量比越大，伺服参数调整难度越大，会影响机器人作业稳定性，很容易出现振动问题。但是如果惯量比过小，虽然具有较高的稳定性，但是会影响系统响应速度，并会降低系统固有频率，很容易出现谐振。表1为惯量比对系统性能影响。

表1 惯量比对系统性能影响（JM表示电机转子转动惯量，JL表示负载总转动惯量）

X轴负载总转动惯量（JL）分为直线运动结构转动惯量（JL1）与丝杠转动惯量（JB），计算公式为：

第二，转矩。设计时要求系统连续工作负载转矩≤伺服电机额定转矩，并且所需最大转矩≤伺服电机输出最大转矩。则X轴连续工作负载转矩计算公式为：

其中，μ表示滚珠丝杠摩擦系数，取值0.2；η表示滚珠丝杠机械效率，取值为0.9.

第三，功率。如果所选电机功率过大，会造成生产成本增加，但是功率过小又会影响到驱动负载效果，导致机器人不能完成设定包装作业轨迹。因此，设计时要求所选电机功率满足公式：

其中，Po表示连续运动负载功率，单位W；Pa表示加速运动驱动功率，单位W。

（2）Y轴。Y轴结构主要在竖直方向进行移动，具有较大的有效形成，在完成一个动作循环周期后，Y轴要进行3次动作，即取料、放料以及返回，这就决定了Y轴设计要点为刚度分析，确保结构在竖直方向可以自由运动，因此伺服电机需要设置制动器。对于Y轴结构各项参数的计算，完全与X轴结构相同。Y轴基座与Y轴支撑件相互连接，并且X轴丝杠螺母会与Y轴支撑件固联，达到X轴与Y轴联动的目的。

3.2 软件系统设计

（1）人机交互系统。需要为快速包装机器人设置一个良好的人机交互界面，实现对整个运作系统的控制。一般人机交互系统主要包括信息显示区域、键盘区域、手动控制区域以及报警区域等，其中信息显示区域需要能够正常呈现产品包装流程、注意事项以及突发故障等信息。对于参数设置区域的设计，主要是包装任务的调整，而报警区域则是对机器人的运行状态进行监控与管理，在遇到异常情况后进行报警。在维护阶段可以调出系统日志模块，分析确定报警原因与处理方法，实现对机器人的有效控制。

（2）系统测试模式。以DMCA-18X2运动控制器为例，其可以制定L1n，n，n，n为各轴线性插补移动增量式距离，在启动程序命令启动前，既可以编写多个程序段。在机器人包装运行过程中，如果缓冲区有空间，还可以写入附加程序段，来确保机器人作业的连续性。其中，在C#程序中，利用“MajGal.command（＂MG-LM＂,＂＂,＂：＂,ture）；”完成读L1程序段可用空间的操作，其中“MajGal”为加载GALIL运动控制卡的“Interop.Galil.dll”运动链接库后，“Galil”为实例化对象［4］。该软件系统设计时可以采取用图1程序流程方案，确定机器人结构各轴直线插补方式运行的连续性。