轮式食品码垛机器人结构设计*

2023-02-07李贺军翟梽锦任小中

南方农机 2023年4期

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]。

1 总体方案设计

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

2 车体运动学分析

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

3 主要零部件设计校核

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。

4 零部件三维设计

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

5 装配设计与分析

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°）。