一种糖业码垛机器人抓手的结构设计

陈义时

（广西机械工业研究院，广西 南宁 450107）

0 引言

随着工业化及信息化不断深化融合，工业机器人技术应用范围越来越广阔。制糖行业是广西的支柱产业之一，在用工成本日益严峻的今天，应用工业机器人技术也成为必然。制糖企业全工段特别是成品码垛作业工段具有产量大，重复劳动多，劳动强度大等特点，运用工业机器人技术对成品进行码垛作业，能极大地提升生产效率，降低用工数量及劳动成本，还能规避工人在生产中遭受意外伤害的风险[1]。

正是基于以上的行业背景，广西机械工业研究院在某糖业集团承担了成套码垛机器人生产线改造。成套生产线中选用瑞士ABB集团高速重载负载的码垛机器人IRB460，最大负载可达110 kg，最远距离可达2.4 m。根据某糖业集团生产需求，码垛机器人在生产中每天至少工作20 h，码垛效率为900～950包/小时，在生产期间不能出现停机1 h以上的故障，确保生产流水线平稳、可靠。因此，抓手的结构设计除了对结构刚性提出较高要求外，还需要克服高速码垛过程中白砂糖包产生动能，使得码垛机器人抓手始终保持平稳、流畅的工作姿态。

本文首先对码垛机抓手整体结构设计，分析了抓手工作时受力情况，最后对关键部位进行局部结构设计分析，并在实际应用中取得良好的效果。

1 抓手整体结构设计

本文设计的抓手针对糖业集团袋装50 kg白砂糖成品，包装材料为塑料编织袋，包装后袋装白砂糖尺寸是850 mm×470 mm×220 mm。在工作中，抓手除了需要快速实现抓取，释放等动作之外，还必须进行压实以防止白砂糖包在抓手中窜动，因此，抓手整体的结构由抓取机构、压实机构以及调节机构组成。抓取机构实现抓取和释放的功能，压实机构实现将白砂糖包压紧的功能，调节机构实现快速调节适应白砂糖包尺寸的功能。总体设计如图1所示。

图1 白砂糖包码垛机抓手总体设计

抓手整体铝材制作，其中框架采用3060型号铝型材，抓取机构采用日本进口6061铝合金材质加工，抓取机构驱动气缸采用日本SMC品牌气缸，压实机构驱动气缸采用台湾AIRTAC品牌气缸，抓齿选用整体注塑硬质塑料。本文设计的抓手结构总质量为46.5 kg。工作时，码垛机器人总负重为T总=50+46.5=96.5 kg，远小于码垛机器人负载110 kg。

2 工作状态下应力分析

码垛机器人工作时，抓手执行抓取以及放料两个动作。当白砂糖包到位时，抓取机构驱动气缸伸出，驱动抓取机构曲柄带动抓取机构旋转轴心转动，实现抓手闭合并夹紧糖包，同时，压实机构气缸伸出压实白砂糖包，防止高速码垛过程中糖包甩出。当码垛机器人来到指定的码垛位置时，抓取机构驱动气缸收缩，实现抓手打开，白砂糖包垂直下落，从而完成一个作业循环。基于该糖业集团生产需求，码垛机器人工作节拍为900～950包/小时，可以计算单个作业循环时间为t=3.79～4 s。实际使用中，码垛机器人完成一个码垛流程耗时为3.9 s。

2.1 抓手摆臂受力分析

码垛机器人摆臂旋转时，抓手一侧的抓取机构的执行机构输出F1及F2与糖包运动过程中产生的动能所施加的力F糖达到平衡，如图2所示。

图2 抓取摆臂受力分析

码垛机器人到达规定高度后摆臂到码垛托盘处，根据实际使用中的节拍，可知该段时间为1.15 s。摆臂过程先均加速，后匀速，最后匀减速的过程，匀加速时间t1=0.25 s，匀速时间t2=0.65 s，匀减速时间t3=0.25 s。

根据行程方程式：

式中：R为码垛机器人运动时臂展为1 700 mm，摆臂时初始旋转速度v1=0，加速度代入上数值解得加速度a=7.94 m/s2。

根据牛顿第二定律：

解得糖包运行中的力为：F糖=766.21 N

2.2 抓取执行机构设计

通常码垛机器人抓手在低速运行时，抓取机构动力执行气缸为一个，其优点是设计结构简单。在实际码垛作业中，当码垛节拍超过600包/h，由于负载动能大幅增加，一个执行气缸不足以完全抵消负载动能，以致抓取机构左右小幅度摆动。在本设计中，抓取机构除了采用常规的SMC的气缸UCDG-63×75作为主执行机构外，还额外增加两个台湾亚德客品牌MI20×75气缸辅助，来抵消糖包动能来带的力F糖。为了能更清晰的表达抓取机构的矢量力学平衡，特把设计简化为图3的力学模型。

图3 抓取机构矢量力学模型

根据力矩公式，可以计算糖包动能产生的力矩为：

抓取机构执行气缸的矢量力矩和为：

通过查表，可以查到缸径φ63的气缸在标准工作气压0.6 MPa情况下，伸出时输出力F1=1 870.2 N，缸径φ20的气缸伸出时输出力150.9 N[2]。带入数值求解为：

通过以上计算可得：抓取机构的执行机构采用一个φ63的气缸及两个φ20的气缸时，完全能够抵消抓手工作运行速度达到900包时糖包动能产生的力矩，并且有6 N·m的力矩富余。

3 局部机构设计

抓手使用性能不仅要求设计合理性，还需要考虑减轻抓手重量，提高抓手刚性，以保证抓手在工作时不产生多余的晃动，提高抓手使用寿命。

3.1 抓取转动机构设计

抓取机构最薄弱的环节是抓取机构的转轴。抓手在实际的工作中，转轴会进行上万次的转动，每次转动过程中都会受到糖包动能产生的力和抓取机构执行输出的力的相互作用，表现为扭转剪切力，因此在抓手的工程化设计中，抓取转动机构是设计的重中之重。

山东大学李铁刚等人[3]设计抓取转动结构，抓取机构转轴与抓取机构执行曲柄采用焊接方式组成一体，其缺点是在焊接处由于焊接产生的高温导致旋转轴产生脆性变化，文中转轴直径达到φ34时，寿命为25.4万次，具有一定的理论借鉴意义，但是整体结构偏笨重，无法满足糖业的需求。

本文设计的抓取转动机构如图4所示。抓取机构执行曲柄与抓取机构转轴采用一组对称安装的涨紧套连接。涨紧套型号用Z3-20-47型可以传递扭矩300 N·m的扭矩[3]，两组对称使用可以传递600 N·m的力矩，远大于抓取执行机构产生的124 N·m的力矩，具有极高的安全系数。通过涨紧套连接的方式，对抓取机构转轴不产生任何损伤，极大提高转轴使用寿命的同事，还进一步降低了抓取机构转轴的直径。本设计采用日本进口的6061型号铝型材棒料，加工后实际使用转轴直径为φ20，比常规使用焊接连接的方式，轴径减少了70%[4]。

图4 抓取机构总图

在抓取机构中，抓取机构抓齿曲柄同样采用6061型号铝合金制作，减轻抓手重量，提高抓手的负载能力。在抓取机构/=抓齿曲柄与抓取机构转轴的连接方面，同样采用Z3-20-47型涨紧套，与常规键槽连接的方式相比，具有传递扭矩大、连接方式简单、维护维修方便，锁紧方式直接、公差要求不高等优势，同时能够避免反复正反转带来键槽松动现象。

3.2 压实机构设计

压实机构在实际码垛过程中起到至关重要的作用，压实机构把糖包紧紧的压在抓手范围内，使得糖包始终紧紧的贴紧在抓齿上，避免上下跳动现象。常规的压实机构由执行气缸直连压板，结构简单，但是存在着明显的缺点。最大的缺点是压实机构的执行气缸除了受到轴向的力之外，还会受到径向力而引起气缸杆发生弯曲变形，极大影响到压实机构的使用寿命。为此，本文设计了新的压实机构，通过直线导轨来承受径向力，气缸仅受到轴向力，以使得不同方向的力由专门的结构进行平衡来提高压实机构使用寿命。如图5所示。

图5 压实机构总图

本文设计的压实机构创新符合组合原理，整个机构简单，传动直接，减少了抓手工作工程中轴向和侧向力的积累，也符合机构运动链简单的原则。在整个工作过程中，压实机构执行平稳，布置简单方便，易于安装和维修，且安装对于精度要求较低，机构可以自动补偿安装误差[5]。

4 结语

码垛机器人抓手设计要依据工厂用户的现实，在现有技术的基础上，对抓手进行力学分析，对结构进行改进和提高，设计了抓取机构、压实机构等机构，符合产品化设计简单实用的要求。整个设计的优点是结构紧凑、安装简单、尺寸设计小巧，安全系数高。该抓手在某糖业集团使用了一个榨季，实际完成码垛150万余包，抓手运行状态良好，如图6所示。总之，本文设计的抓手是合理的，并得到了初步工程应用验证。

图6 码垛机抓手现场应用