微电机外壳多模组自动装箱的实现

谢佳娜 陈敏生

（揭阳市汇宝昌电器有限公司，广东 揭阳 522000）

0 引言

随着现代工业自动化、智能化技术的发展，产品自动装箱技术应用越来越广泛，各种自动装箱机的研发也越来越多[1]。装箱机可将未包装（或小包装）产品半/全自动装入物流运输包装箱，其基本工作原理是将产品收集、整理后，由装箱机抓手按特定排列方式及定量装入箱（瓦楞纸箱、塑料箱或托盘）中，并将其开口部分闭合/封牢[2-4]。装箱机应具有纸箱成形（或打开纸箱）、装箱、计量、封口及捆扎功能。模块化设计是装箱机设计的发展方向[5]，即在分析不同性能和规格产品功能的基础上，在规定范围内划分、设计一系列功能模块；通过模块的选择和组合，构成不同产品规格单元；并通过换用单元应对产品装箱规格的变化，以同时满足不同产品的装箱需要[6-8]。

微电机外壳具有生产批量大、产品尺寸规格多样的特征[9]，本文在已开发的微电机外壳自动装箱装备的基础上，设计多模组装箱功能，实现不同规格机壳在不同规格纸箱的自动装箱。

1 微电机外壳自动装箱机工作原理

针对微电机外壳装箱要求，本文研发了微电机外壳自动装箱机，其结构如图1所示。该设备主要包括2大功能区：第1功能区是由机壳排列机架、红外线传感器、机壳路径调整装置和机壳传送带组成的机壳运送和排序机构，实现同一规格的筒形机壳以矩阵形式整齐排列的功能；第2功能区是由机壳运载机械手、纸箱隔板运载机械手、纸箱和纸箱运送轨道组成的机壳自动装箱机构，实现将排列好的机壳装入纸箱和多层堆叠的功能。红外线传感器在2大功能区之间起到信息传递作用，实现2大功能区机构运动的自动切换。该自动装箱机具有多模组自动装箱功能，可实现不同规格微电机外壳的自动装箱，也可实现同一规格微电机外壳自动装入不同纸箱。

图1 微电机外壳自动装箱机结构图

2 机壳多模组装箱方案

微电机外壳多模组自动装箱流程如图2所示。机壳多模组装箱方案是微电机外壳自动装箱机实现的关键技术。根据机壳产品材料特性及装箱特点，本文选择板式电磁吸具作为装箱抓手，具有稳定可靠、吸力强、剩磁小等特点。板式电磁吸具利用内部线圈通电所产生的磁力，紧紧吸住接触导磁面板表面的工件；当线圈断电则磁力消失并放下工件。

图2 微电机外壳多模组自动装箱流程图

根据机壳产品实际尺寸（直径Φ= 15 mm ～ 50 mm，高度L= 20 mm ～ 65 mm），选择相应规格的装夹模具和电磁吸具；再设置吸取机壳个数以及转箱层数，便可确定最终装箱方案。4种机壳的20种多模组装箱方案如表1所示。

表1 4种机壳的20种多模组装箱方案列表

为确定各模具的装箱方案，根据四轴机械手系统建立三维坐标系，表示各点位置。设(θ,r,h)为各点坐标，β为机械手抓的转动角度，其中θ∈(−170°, 170°)，1#轴相对转动量，表示机械手朝向运动；r∈(−50 mm,1050 mm)，2#轴相对移动量，表示机械手径向运动；h∈(−50 mm, 550 mm)，3#轴相对移动量，表示机械手高程直线运动；β∈(−170°, 170°)，4#轴相对转动量，表示机械手腕部轴向运动。

设LB、WB、HB分别为纸箱的长、宽、高；Φ，L分别为机壳直径和高度，则：

每箱层数k= ⎿HB÷L」；每层行数/排（X轴）i=⎿WB÷Φ」；列数（每排个数，Y轴）j= ⎿LB÷Φ」。其中，符号⎿X」表示对X值向下取整。

以微电机机壳Φ= 36 mm，L= 50 mm为例，纸箱尺寸为LB= 478 mm，WB= 376 mm，HB= 335 mm，则

纸箱摆放最多层数I= ⎿HB÷L」 = ⎿335 ÷ 50」 = 6；

每层摆放最多行数K= ⎿WB÷Φ」 = ⎿376 ÷ 36」 = 10；

每层摆放最多列数J= ⎿LB÷Φ」 = ⎿478 ÷ 36」 = 13。

故可确定纸箱摆放方式为6层，每层10行、13列。

相邻两列间距dL=(LB-J×Φ)÷(J− 1)= (478−13×36)÷12 =0.8 (mm)；

相邻两行间距（隔纸厚度）dC= (WB−K×Φ) ÷(K−1) = (376−10×36)÷9 = 1.8 (mm)。

3 机壳精确定位及中心坐标算法

3.1 机壳中心坐标算法模型

根据模组计算出机壳摆放方式后，可根据其对应关系求出各机壳中心在纸箱内相对位置，其中纸箱左下角一点OB(θB,rB,hB)已知。第X个机壳的中心坐标设为OX(θX,rX,hX)，其中X=K J(i− 1) +J(j− 1) +k，i表示第i层；j表示第j列；k表示第k行。因此OX(θX,rX,hX)可表示为O(i,j,k)= (θ(i,j,k),r(i,j,k),h(i,j,k))。机械手转角为β(i,j,k)，依据机壳在纸箱内摆放方式可得h(i+1,j,k)=h(i,j,k) −L，θ(i+1,j,k) =θ(i,j,k)，r(i+1,j,k) =r(i,j,k)。对同层中任意两机壳的中心坐标，有h(i,j1,k1)=h(i,j2,k2)。

在机械坐标系内，机壳中心平面示意图和实物图如图3所示。由图3可以看出，各点直角坐标关系均可从OB坐标推导而出。

图3 机壳中心在机械坐标系内平面示意图和实物图

设各点O(i,j,k)的直角坐标为(X(i,j,k),Y(i,j,k))，极坐标为(θ(i,j,k),r(i,j,k))，同时设OB的直角坐标为(XB,YB)，则具体关系如下：

式中，XB=rB·cosθB；YB=rB·sinθB。

根据极坐标和直角坐标之间的转换关系，求得

由图3(a)可知，4#轴伺服电机转角β(i,j,k)与1#轴伺服电机转角θ(i,j,k)相等，当4#轴令机械手与臂展r垂直时，有β(i,j,k) = 0，则β(i,j,k) =θ(i,j,k)。

由此，可通过已知OB坐标及纸箱、机壳尺寸计算纸箱内各机壳中心坐标。

3.2 自动装箱控制编程工艺

当计算出纸箱内各机壳中心坐标后，对机械手的运动控制策略便迎刃而解。

首先，将机壳同向排列在钢带线上，并通过钢带线前端导料、定位装置，机壳整齐排列在钢带线上；纸箱、隔板也分别通过上料模组完成定位。

然后，机械手装箱，其运输流程如下：

1） 机械手启动后，系统自检，使机械手复位至零点；

2） 机械手运动至OM(θM,rM,hM)抓取模具；

3） 机械手搬运机壳模具至纸箱内指定位置；

4） 辨别纸箱装满与否，如未满则重复步骤2）、3）至纸箱装满；

5） 传输装箱完毕的纸箱，等待下一次装箱。OM(θM,rM,hM)运动至OX(θX,rX,hX)，只需计算各坐标之差，即可得对应轴相对移动量。

机壳在机架上自动排列后的现场图如图4所示。完成自动排序后，机壳自动装箱机通过控制系统启动机械手且系统自检；检测机壳和纸箱就位与否；记录纸箱类型，确定装箱方案；将机壳夹具抓取、运送及装箱，直至装满纸箱；传输装箱完毕的纸箱，等待下一次装箱。

图4 机壳在机架上自动排列后的现场图

4 结语

1） 针对微电机外壳尺寸规格多样化、批量大的特点，采用多模组、多种夹具匹配设计实现不同机壳的自动装箱方案；

2） 研究外壳中心坐标计算方法，实现不同模组模式下机壳的精确定位，确保运载机械对机壳正确抓取和批量装箱；

3） 经揭阳市质量计量监督检测所检测，微电机外壳多模组自动装箱机完成每层排列及装箱时间小于40 s，并可通过多种电磁吸具和夹具匹配设计实现多模组操作，经企业应用测试，效果良好，大大提高企业生产效率和市场竞争力。