塊狀食品拾放的并聯機器人

李克鋒

南陽醫學高等專科學校（南陽 473000）

隨著世界工業技術的快速發展，各行各業的生產線均在朝著自動化、智能化的方向發展，中國的食品包裝行業大部分還在依靠人工，尤其是上料拾放這種重復性的勞動，依靠人工不僅工作強度大，而且衛生不能保證，所以急需一種高速、穩定的拾放機器人來代替人工[1-2]。并聯機器人具有結構簡單、速動快、精度高等優點[3-5]，非常適用于拾放工序，因此設計一種三自由度并聯機器人用于方形塊狀食品上料工序的拾放，并對其模態作了分析。

1 機器人基本結構

由于方形塊狀食品的上料工序，塊狀食品只可能有X、Y、Z3個方向的平動，而沒有旋轉運動，能完成X、Y、Z3個方向平動的三自由度并聯機器人就能夠適用于此工序。其結構如圖1所示，此并聯機器人主要由靜平臺、動平臺、3個相同結構的運動鉸鏈及末端執行器組成[6-8]。運動鉸鏈與靜平臺之間通過轉動副連接，與動平臺通過球面副連接。驅動元件采用伺服電機，3臺相同的伺服電機分別驅動3根運動鉸鏈，使其各自繞靜平臺作擺動，此運動通過運動鉸鏈與動平臺的轉動副傳遞到末端執行器，從而實現末端執行器在X、Y、Z3個方向的平動。

圖1 機器人結構模型

2 關鍵部件結構設計

2.1 運動鏈的設計

運動鏈是連接動平臺與靜平臺的關鍵部件，且將伺服電機的運動傳遞給動平臺，從而實現動平臺在X、Y、Z3個方向的運動。它主要由主動臂、從動臂和虎克鉸組成，結構圖如圖2所示，主動臂與裝在靜平臺上的伺服電機相連，從動臂通過虎克鉸與動平臺相連，主動臂與從動臂之間也通過虎克鉸連接[9]，從動臂由兩根等長的直桿組成，直桿與上下連接的虎克鉸組成平行四邊形，此結構能夠保證末端執行器只可以做X、Y、Z方向的平動，而不能作繞3個方向的轉動。

圖2 運動鏈結構圖

2.2 保護裝置設計

并聯機器人一般在較高的工作速度下運動，一般會根據實際工況設定主動臂在一定范圍內繞靜平臺做擺動[10-11]，如若主動臂在運動過程中超過設定的動范圍，會與靜平臺發生碰撞，對機構造成損害，所以為了避免主動臂在運動過程中超過設定的運動范圍，一般會設計軟限位和硬限位，軟限位是在靜平臺上裝有接近式傳感器，在主動臂上裝有感應片，主動臂運動到極限位置時，感應片會觸發傳感器，從而發射信號使主動臂停止運動，硬限位是機械限位，它是裝在靜平臺上的橡膠柱，主動臂碰上時會起緩沖作用，并能強制主動臂停止運動，從而起到避免主動臂與靜平臺發生碰撞的作用。其結構簡圖如圖3所示。

圖3 保護裝置結構簡圖

2.3 末端執行器的設計

末端執行器是機器人的執行部件，如果設計不合理會對產品造成損害，氣動吸盤具有成本低、易使用、無污染等優點，比較適用于抓取塊狀食品等輕量的產品。氣動吸盤一般有2種形式：帶緩沖的和不帶緩沖的，由于塊狀食品屬于易損壞部件，所以選用帶緩沖的氣動吸盤。其原理如圖4所示，吸盤通過通氣孔與氣動設備相連，吸盤接觸到工件時，氣動設備通過通氣管將吸盤內的氣體抽走，使吸盤內形成真空，內外壓力差會使工件被吸附在吸盤上，機器人將工件運送到指定位置時，氣動設備通過通氣孔往吸盤內充氣，內外壓力差變小，工件在重力作用下與吸盤分離。

吸盤的選取一般根據吸附力大小及口徑大小，而這2個尺寸又與搬運工件的尺寸及質量有關，所以可以根據工件的尺寸及質量選取氣動吸盤，及與之相配的氣動設備。

圖4 緩沖氣動吸盤原理圖

3 機器人的模態分析

模態分析理論是20世紀30年代發展起來的，它是在阻抗與導納的感念上吸收振動分析及數據處理等知識形成的，對機器人的結構做模態分析，可以得到結構的固有動態特性，得到其固有頻率和陣型，從而得到結構設計的不合理的地方，并可以有根據地加以改正[12]，該節利用ANSYS軟件的Workbench軟件對機構做模態分析。

3.1 模態分析理論基礎

把并聯機器人看成是一個由無數質點組成的系統，而且它是一個復雜多自由的系統，描述多自由度系統的離散振動的動力學運動方程為[13-14]：

式中：[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{x}為加速度響應向量，{x}為速度響應向量，{x}為位移響應向量。{F(t)}為激振力向量，由于機器人的模態分析是不受外力的自由振動，所以{F(t)}=0。

在不考慮阻尼的情況下，系統為簡諧振動，即{x}=Xsin(ωt)，設系統矩陣S=M-1K，經過計算整理可得：

可得方程有N個解ωi（i=1, 2,L,n），也就說系統有N個固有頻率，而對于一個多自由度的系統，固有頻率對系統的影響隨著階級增大而減小，所以系統的振動特性可以由低階固有頻率有效反映出來，所以在做模態分析時通常對前六階頻率做分析[15]。

模態分析可以分為4個主要步驟，分別是模型建立、施加邊界條件求解、模態擴展以及結果分析和后處理。

3.2 結果分析

在Solidworks中建立并聯機器人的三維模型，導入到Workbench中，設置材料屬性、泊松比等參數，設定零件的約束及接觸特性、各個參數設定好后，對其進行網格劃分，最后建立模態分析項，設定模態數為6。

計算得到機器人的前六階的模態陣型圖及模態頻率，第一、第六階頻率陣型圖分別如圖5和圖6所示，前六階模態頻率如圖7所示。由圖7可以得到機器人在頻率80～121 Hz之間易發生共振，由陣型圖5和圖6可得，運動鉸鏈上的球面副即虎克鉸位置變形最大，也就是說此位置受振動影響最大，易遭到破壞，所以在設計時需對此結構做加強處理，使其剛度增大。另外機器人在工作時，應使其頻率避開89～121 Hz頻率段，從而減小振動對其的影響。

圖5 第一階頻率陣型圖

圖6 第六階頻率陣型圖

圖7 前六階模態頻率

4 結論

在分析塊狀食品全自動包裝生產線技術要求基礎上，設計一種只能夠在X、Y、Z3個方向作平動的三自由度并聯機器人，介紹其基本結構及主要部件的設計，利用ANSYS的Workbench模塊對機器人整機作了模態分析，得到機器人頻率80～121 Hz之間易發生共振，通過振型圖得到機器人運動鉸鏈上的虎克鉸位置最易產生變形，設計時需加強此位置的剛度，為食品包裝生產線的自動化設計提供一種解決方案，為三自由度并聯機器人的結構設計提供理論分析基礎。