基于Delta－s的高速果奶裝箱機器人工程示范

劉鳳臣陳 凱張良安尤 晨

周 東1劉黎明1馮進友1

（1.杭州娃哈哈集團有限公司，浙江 杭州 310009；2.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

基于Delta－s的高速果奶裝箱機器人工程示范

劉鳳臣1陳 凱1張良安2尤 晨1

周 東1劉黎明1馮進友1

（1.杭州娃哈哈集團有限公司，浙江 杭州 310009；2.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

研究Delta－S機器人在果奶裝箱機上的工程示范應用，包括其系統(tǒng)布局及功能要求及Delta－S機器人的抓取器設計、軟件設計和工程實踐等問題。在基本設計分析的基礎上，選取裝填工位做具體分析。分析結(jié)果表明，Delta－S機器人在高速果奶裝箱機上的應用使得裝箱自動化水平和速度都大幅提高，進一步說明Delta－S機器人在工業(yè)生產(chǎn)線上的應用具有很好的應用前景。

果奶；裝箱；Delta－S機器人；抓取器；工程實踐

果奶產(chǎn)品多是由若干個瓶子直線排列，上面覆以相應數(shù)量的吸管，通過熱縮膜裹包塑封后形成一條，再由若干塑封條裝于一箱。由于塑封條呈直線排列，且不規(guī)則，運行穩(wěn)定性差，包裝過程中在沒有側(cè)面約束的情況下無法可靠運行，PET瓶的抓取裝箱方式不適用于此，因此，自動包裝一直是困擾生產(chǎn)商的難題。

以往果奶包裝工作程序是：果奶瓶通過分瓶機由直立變水平，并被分成若干瓶一組。果奶瓶組經(jīng)過輸送帶運到大膜包裝機過程中，由人工在其表面投放吸管組。塑封成條狀后由人工扶起，按裝箱規(guī)格要求分組，人工裝箱，手工封膠帶，并且紙箱是由人工成型的。稍許先進的公司是在手工裝箱后增加一個自動封箱機。生產(chǎn)線中僅此包裝環(huán)節(jié)就需要6個人，而像娃哈哈公司這類生產(chǎn)線就有一百多條，因此，開發(fā)全自動包裝設備刻不容緩。

相比之下，PET產(chǎn)品由于互不關(guān)聯(lián)，瓶底相對較大，能夠獨立運行，因而從分道、集瓶到裝箱能夠通過機械自動完成，先進包裝設備還能夠?qū)崿F(xiàn)紙箱成型、裝箱以及封箱一體機。

高速并聯(lián)機械手因采用外轉(zhuǎn)動副驅(qū)動和輕質(zhì)桿平行四邊形支鏈，可獲得很高的速度和加速度。中國有些學者［1，2］采用兩自由度并聯(lián)機器人Diamond開發(fā)了高速裝箱機器人，但是由于該機器人僅有兩個平動自由度，限制了其在工業(yè)上的應用。而Clavel等［3－6］發(fā)明的Delta機構(gòu)則具有適用于大多數(shù)搬運的4自由度，而得到了廣泛的應用。之后，天津大學發(fā)明了一種采用兩端含可消隙虎克鉸的三平動并聯(lián)機器人Delta－s，該機器人具有與Delta相似的工作性能［7］。

因此，本試驗針對果奶裝箱的特殊工藝需求，研究一種基于Delta－s機器人的高速果奶機器人的工程示范應用，并探究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Delta－s機器人的工程實用性。

1 系統(tǒng)布局及裝箱機器人功能要求

1.1 果奶全自動裝箱要解決的問題

（1）果奶瓶組經(jīng)過大膜塑封后，能夠自動立起并進入輸送帶；

（2）分道前需對塑封條進行計數(shù)和分組；

（3）塑封條的分道、緩沖和整列集瓶；

（4）塑封條的裝箱；

（5）紙箱的成型、輸送和封箱。

1.2 工藝過程及系統(tǒng)布局

整個自動裝箱流程及布局可分成兩條同時進行的路徑，一條是塑封條運行路徑，一條是紙箱運行路徑，兩條路徑通過裝箱工序相關(guān)聯(lián)。

1.2.1 塑封條運行路徑

（1）翻瓶輸送鏈實現(xiàn)塑封條由水平到直立；

（2）單道輸送鏈實現(xiàn)分道前塑封條的分組；

（3）旋轉(zhuǎn)分道機構(gòu)、集瓶和整列輸送帶實現(xiàn)塑封條的分道、緩沖存放和裝箱準備。

1.2.2 紙箱運行路徑

（1）紙箱進給輸送帶實現(xiàn)紙箱板臨時儲備及供給；

（2）紙箱成型機構(gòu)使紙板成型為一個上部敞開的紙箱；

（3）紙箱輸送帶將成型紙箱輸送到裝箱工位，并將裝箱后的紙箱輸送到封箱工位；

（4）封箱機構(gòu)以紙箱輸送帶為動力配以膠機封箱裝置，實現(xiàn)裝箱后膠水封箱。

1.3 對裝箱工序及機器人的要求

（1）能夠完成不同瓶型、不同數(shù)量塑封條的裝箱生產(chǎn)，產(chǎn)能不低于400瓶/min（100mL規(guī)格）；

（2）抓取器移動路徑能夠根據(jù)瓶型和數(shù)量不同及時調(diào)整，并且定位準確；

（3）抓取器必須安全可靠，容易更換，且不損壞包裝膜；

（4）在更換產(chǎn)品時，要求控制系統(tǒng)安全可靠調(diào)整方便。

根據(jù)塑封條裝箱的上述要求，結(jié)合Delta－S并聯(lián)機器人具有末端執(zhí)行器始終平動，逆解求解容易，軌跡規(guī)劃簡單，運動頻率高，定位準確，整體剛性好等優(yōu)點，裝箱工序最終采用并聯(lián)機器人來實現(xiàn)和完成。果奶瓶裝箱機整體方案見圖1。整體設備構(gòu)成（不含倒瓶及單道輸送鏈）見圖2。

圖1 果奶瓶裝箱機整體方案圖Figure 1 The total solution of the fruit milk packing machine

圖2 整體設備構(gòu)成（不含倒瓶及單道輸送鏈）Figure 2 The structure of the whole equipment（Without Bottle－inverted and Singlechannel conveyor chains）

2 抓取器設計

由于果奶瓶外形并不是規(guī)則的圓柱形，因此在經(jīng)過大膜包裝機塑封包裝成幾瓶一組的條狀后，其外形是不規(guī)則的長條形（見圖3）。這就給機械自動裝箱帶來定位難度，要實現(xiàn)自動裝箱首先要解決如何抓瓶這個問題；此外，塑封膜剛從大膜包裝機出來時，由于瓶身的溫度仍然較高，使得其表面帶有粘性且容易拉破，對抓手的夾持方式有了更特殊的要求。下面是對這種直接安裝在Delta［1］并聯(lián)機器人動平臺上的抓取器裝置的介紹。

圖3 不規(guī)則塑封條示意圖Figure 3 Schematic of the irregular plastic－packaged Fruit－milk

2.1 總體方案

2.1.1 抓取對象 可抓取部位呈圓形曲面形狀，薄壁，瓶身最大直徑尺寸約為60mm，最大重量約為1.2kg，瓶身、瓶口尺寸差別小，若干瓶一條，外罩薄膜。

2.1.2 抓取姿位 瓶子被抓取后的運動均為平動，無轉(zhuǎn)動。

2.1.3 瓶子抓取方式 常用抓取方式可分為夾持、捏持、握持和吸附等方式［8］。由于抓取物為條狀且?guī)讞l并排一起抓取（這里以5條為例），甁間無隙，不能采用捏持和握持的方式。此外，由于瓶身外側(cè)包覆了塑封膜，因此也無法用吸盤的方式吸附起來，所以只能用夾持的方式抓取。采用卡抓的方式不僅可以抓取不規(guī)則變形的塑封條，而且可以減小塑封膜被拉破的概率，具有比較強的自適應性（見圖4）。

圖4 抓手示意圖Figure 4 Schematic of the mechanical gripper

2.2 結(jié)構(gòu)設計

單個機械抓手結(jié)構(gòu)見圖5。抓手的張合主要通過氣缸驅(qū)動連桿來控制，為了避免抓手之間互相干涉，每兩個抓手為一組，每組抓一條，共5組，見圖6。各組抓手中的氣缸由一個三位兩通電磁閥統(tǒng)一控制，從而保證每個抓手動作一致。

圖5 單個抓手結(jié)構(gòu)圖Figure 5 The structure of the single mechanical gripper

圖6 抓手組造型Figure 6 The modeling of the mechanical gripper group

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

由于瓶口卡口處呈不規(guī)則環(huán)形曲面，因此卡抓與之接觸部分形狀必須相同，見圖7。此外由于塑封條外形的不規(guī)則性，為了保證卡抓每次都能抓住瓶子，卡抓的開口要盡可能地大。但開口如果太大又會使卡抓與相鄰塑封條干涉。因此，在允許范圍內(nèi)盡可能大的擴大卡抓開口的同時，將兩個卡抓合為一組，這樣只要這兩個卡抓中的一個能抓住塑封條就可以將整條抓起，確保了抓取的可靠性。

圖7 抓手抓瓶口圖Figure 7 The working drawing of the mechanical gripper

3 軟件設計

3.1 主要功能流程設計

裝箱機器人具備分道整列、紙箱成型、果奶裝箱和膠水封箱等4大主要功能，其中的核心功能就是控制機械抓手運動的果奶裝箱功能。

裝箱機器人的控制系統(tǒng)采用了西門子公司的SIMOTION運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)的PLC和伺服驅(qū)動器。SIMOTION將運動控制、PLC和技術(shù)功能融合在一起，具備定位、同步操作、電子凸輪和插補等功能，用戶可以像編輯PLC程序一樣簡單靈活地創(chuàng)建運動順序。SIMOTION專門針對Delta結(jié)構(gòu)開發(fā)出專用的三軸插補運動功能，用戶只要規(guī)劃出抓取器的運動軌跡，系統(tǒng)會自動計算并驅(qū)動伺服電機完成整個運動過程。

抓取器在完成整個果奶裝填動作時，其運動軌跡類似一個門框，從進瓶工位跨越到進箱工位，并最終返回進瓶工位。抓取器的運行軌跡主要以直線為主，因此采用了SIMOTION的直線插補（＿move－PathLinear）功能。

直線插補是最簡單的軌跡控制，調(diào)用功能塊Traverse path linearly，在參數(shù)設定菜單中輸入運動目標點的空間坐標。程序運行時，3根軸驅(qū)動的抓取器就能沿直線從當前位置到達運動空間中的目標位置。直線插補的運動參數(shù)設定菜單如圖8所示。

圖8 直線插補的運動參數(shù)設定菜單Figure 8 Movement parameter setting menu of linear interpolation

由于抓取器運動時是在進瓶工位和進箱工位直接往復運行，避免運動干涉就成為軌跡規(guī)劃和運動控制的重點。為此在軌跡規(guī)劃初期，先建立裝箱機裝箱工位的三維空間模型，分析各運動部件的運動空間，為抓取器選取最佳路徑。在邏輯控制方面，在各個運動部件上都安裝了傳感器，用于監(jiān)控部件的當前位置。為抓取器建立空間位置變量，隨時記錄并反饋抓取器的當前空間位置。在抓取器運動之前，先判斷運動空間中是否存在干涉。其他運動部件動作前，也要先讀取抓取器的當前位置，只有抓取器處于安全位置，其他運動部件才會動作。

整個抓取器裝填流程框圖見圖9。

圖9 裝填流程圖Figure 9 Packing flow chart

3.2 界面設計

裝箱機器人操作程序的界面包含了主操作、氣缸操作、機械手操作、軌跡設置、原點設置和屏幕控制等6個畫面。

主操作畫面提供分瓶距離設定、產(chǎn)量記錄和各臺電機啟停功能的操作見圖10。

氣缸操作畫面提供裝箱機上主要氣缸動作的操作，見圖11。

機械手操作畫面顯示當前機械手坐標位置和運行軌跡，見圖12。機械抓手坐標為抓手在運動空間中的位置，伺服軸坐標為3臺伺服電機的轉(zhuǎn)角。“抓手復位”按鈕用于設備手動運行時，令機械手從當前位置自動回到E點。3根軸的手動調(diào)節(jié)按鈕可以在裝箱機手動運行狀態(tài)下，單獨對機械手的空間位置做調(diào)整。

軌跡設置畫面用于調(diào)整和設置機械手運行軌跡，見圖13。

軌跡設置有兩種方式：① 軌跡示教；② 軌跡輸入。

圖10 主操作畫面Figure 10 The main operating screen

圖11 氣缸操作畫面Figure 11 Cylinders operating screen

圖12 機械手操作畫面Figure 12 Robot operating screen

在左側(cè)“軌跡示教”框內(nèi)，通過手動方式調(diào)整機械手的空間位置。當機械手位置滿足運行軌跡要求時，按下右邊對應的空間點按鈕，當前坐標位置將被存儲。

在右側(cè)可以直接輸入運行軌跡各點的空間坐標，用來設定軌跡。

完成軌跡設定后，按下“軌跡確認”按鈕，軌跡坐標將被最終確認。

按下“默認設置”按鈕，軌跡坐標將恢復設備出廠設置。

圖13 軌跡設置畫面Figure 13 Path setting screen

原點設置畫面用于將機械系統(tǒng)的原點位置與控制系統(tǒng)的原點位置統(tǒng)一，見圖14。

通過手動按鈕調(diào)整主驅(qū)動臂的空間位置，當主驅(qū)動臂為水平位置時，按下“SET”按鈕，伺服電機絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器的當前值被保存，作為伺服電機的電子原點。當3臺驅(qū)動主動臂的伺服電機電子原點均被設定，機械手空間原點與伺服控制系統(tǒng)的電子原點就保持一致了。

屏幕控制畫面用于對系統(tǒng)參數(shù)作具體設置，見圖15。

圖14 原點設置畫面Figure 14 Origin－set screen

圖15 屏幕控制畫面Figure 15 Control screen

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過與天津大學一道聯(lián)合攻關(guān)，Delta－S并聯(lián)機器人在果奶裝箱機上的應用取得成功，將原來的手工裝箱用機器手裝箱代替，且裝箱速度提高到15箱/min左右，滿足了生產(chǎn)需求。除此之外，由于智能機器人的固有柔性特性，使得裝箱機在作簡單的調(diào)整后，可適應多種規(guī)格產(chǎn)品的裝箱，并且換線調(diào)整簡單方便。

Delta－S并聯(lián)機器人在高速果奶裝箱機上的成功應用，為包裝設計積累了寶貴的理論和實踐經(jīng)驗。目前，目前筆者正在著手將其應用在吸管投放機的設計，下一步還計劃應用到彈簧生產(chǎn)的物流和包裝中。不難看出，Delta－S并聯(lián)機器人的應用前景將相當巨大。

1 Liangan Zhang，JiangPing Mei，Xueman Zhao，Panfeng Wang，Youyu Wang.Reformation of the transfusion bags’secondary packaging line using parallel robot［C］//Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE ICMA 2007Conference Proceedings.Harbin：International Conference on Mechatronics and Automation，2007：2 043～2 048.

2 張良安，高速軟袋裝箱一體機的設計及其關(guān)鍵技術(shù)［D］.天津：天津大學，2007.

3 Clavel R.Dispositif pour le deplacement et le positionnement d’un element dans l’espace：Switzerland，CH0672089A ［P］.1989－10－31.

4 Clavel R.Device for displacing and positioning an element in space：WIPO，WO8703528A1［P］.1987－06－18.

5 Clavel R.Device for the movement and positionning of an element in space：U.S.，No.4，976，582［P］.1990－12－11.

6 Rey L，Clavel R，the Delta parallel robot［M］.In Boer C.R.，Parallel kinematic machine：theoretical aspects and industrial requirements，New York：Springer，1999：401～417.

7 張利敏，梅江平.Delta機械手動力學尺度綜合［J］.機械工程學報，2010（3）：1～7.

8 加藤一郎.機械手圖冊［M］.上海：上海科學技術(shù)出版社，1979：49～129.

Demonstration project of high－speed robot packing fruit milk based on the Delta－s

LIU Feng－chen1CHEN Kai1ZHANG Liang－an2YOU Chen1

ZHOU Dong1LIU Li－ming1FENG Jin－you1

（1.Hangzhou Wahaha Group Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang310009，China；2.College of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan，Anhui243032，China）

This paper focus on the practical application of the Delta－s robot on the fruit milk packing machine，including its system layout and functional requirements，gripper design based on Delta－S robot，software design and engineering practice.Based on the analysis of the basic design，this paper selects filling stations to make a specific analysis.The results showed that the application of the Delta－s robot on the fruit milk packing machine made a substantial increase in the level of automation and speed of packing，which proved the application of the Delta－s robot on the industrial production line had very good prospects.

case packing；fruit milk；the Delta－s robot；the grabber；the engineering practice

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.045

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（編號：2007AA04Z245）

劉鳳臣（1964－），男，杭州娃哈哈集團有限公司高級工程師。E－mail：lfc＠wahaha.com.cn

2011－08－01