機器人原型技術在食品裝備設計中的應用

劉 麥

(海南經貿職業技術學院工程技術學院，海南 ?？?571127)

食品生產設備是食品行業發展的基礎，因此如何提升食品加工生產設備設計和更新速度，對整個食品行業的發展具有重大意義。在食品設備設計過程中，常用的計算機仿真技術很難全面模擬真實的使用環境，使用機器人原型技術對關鍵步驟進行實際操作能夠有效減少開發時間和成本[1-2]。在產品的處理、操作和包裝過程中，將一些傳統的設備安裝到機器人末端執行器上，可以讓工業機器人快速精確地執行事先設定好的步驟，從而確定出合理的加工方式[3-4]。Pallansch等[5]提出了一種基于計算機仿真的食品加工設備生產方法，但該方法很難對實際使用過程中的動力環境等進行模擬。Gungor等[6]提出了一種基于動力學的計算機仿真算法，該方法既考慮了使用中的動力學問題，也考慮了不同產品加工材料之間的差異，具有較好的使用價值，但其在非標準環境中的處理效果較差。

文章擬提出一種使用機器人原型技術設計食品加工設備的方法，其主要步驟包括通用處理和個性化處理兩種操作方式。通用處理步驟主要是以所需設計的物品為目標，對外形、尺寸參數、動力學特性等進行合理的設計，例如鑄造工業零件時，可以將一個工業零件拆分為標準件和非標準件，以機器人原型為基礎，作為非標準件研制末端執行器，可以較好地提高工業零件的生產效率。個性化處理主要是指在標準化處理流程上，添加一些特殊的處理工藝，如在通用拉面制造設備中后端加入控制器，可得到多種不同粗細的產品。個性化處理工藝需對加入器件的大小、參數以及阻力等進行定制化設計，從而獲得最大的生產效益。

文章通過機器人原型技術在食品加工及包裝機械設計中的3個應用實例，詮釋機器人原型技術在食品加工設備設計和制造中的巨大優勢和實際價值，旨在為降低開發新型食品設備成本提供一種新的思路。

1 機器人原型技術

目前，工業機器人已成為一種綜合性的自動化技術，既是先進的工業軟硬件的結合，也是計算機集成制造系統、自動化工廠以及柔性制造體系等現代化制造體系的主要構成成分，已被應用于加工制造等各個領域，尤其是單元以及生產線制造等。

機器人原型是已通過測試和檢驗的機器人產品，在食品加工及包裝機械設備研發中，使用機器人原型可以實現其大部分功能，通過開發末端執行器可實現個性化功能，并且通過一次次的迭代設計可完善末端執行器的個性化功能，達到提高設計效率、減少設備研發過程浪費的目的。

2 應用實例

2.1 夾緊和吸附末端執行器的改進迭代

傳統制造過程中，產品的夾緊和吸附是通過制造設備的末端執行器實現的，可適用于大部分的面食制做場景，但不適用于意大利面。意大利面具有堅硬、易碎、潮濕、黏稠的特點，通用的夾緊型末端執行器會破壞意大利面的表層。張艷麗等[7]提出了一種使用真空夾吸器的制作方案，主要是通過使用帶有一系列孔的平板，從而減小局部受力情況并為整體提供支撐。測試表明，盡管其可以成功拾取意大利面并置于托盤上，但是意大利面表面的淀粉殘渣與夾持器板仍會產生粘連，影響其釋放。周霏等[8]設計了一種基于滾筒的意大利面制作設備。其原理是當滾筒通過產品時，產品和滾筒之間的任何連接都可以隨著滾筒的脫落而斷裂，其具體過程如圖1所示。

Radkhah等[9]研究表明，可以采用6軸機器人作為原型機器人來搭載“滾筒”末端執行器。在機器人手腕上安裝一根直徑為50 mm的碳纖維管作為滾筒，制作一個以鋁為材質的鏟子并將其安裝至滾筒上(見圖2)，旋轉手腕即可將意大利面抬起。多次重復試驗表明，該系統在意大利面制作過程中具有可靠性。研究[10]發現，影響意大利面取放質量的因素主要有：① 滾筒滾動前，鏟子距離意大利面下方的距離(掃掠距離)；② 滾筒后方自由垂下的意大利面片長度(懸掛長度)；③ 鏟子與滾筒之間的間隙大小(δ1)；④ 滾筒最低點與意大利面表面的距離(δ2)。通過反復的操作試驗，優化影響意大利面取放質量的4個參數，結果見表1。

綜上，根據系統原型便可構建預生產模型，即使用一個單一的旋轉滾子作為執行機構，兩個氣動氣缸定位夾持器。結果表明，該原型機器人只需3.6 s即可準確夾持一根意大利面，并將其放于塑料餐盤中。

2.2 末端執行器的分組操作改進

三明治制作過程中，餡料一次性放于第一片面包上，再通過在三明治頂部放置第2片面包即可完成三明治的制作。配料前，第2片面包的上半部分需涂一層黃油和蛋黃醬，因此將其放至第一片面包上之前，需先將其進行倒置。為了完成這一系列操作，使用Puma 560作為原型機器人，該原型機器人可以搭載不同的末端執行器。面包片倒置操作的末端執行器如圖3所示：面包置于一個100 mm2的平板上，夾持器安裝于旋轉關節上，當滾子旋轉180°后，夾持器反轉；當夾持器的運動足夠快時，面包由于加速度的原因而倒立。

1. 滾子 2. 鏟臂 3. 意大利面 4. 傳送帶

圖2 使用CRS機器人演示夾持器的運動

表1 最佳系統參數

由于平板與面包片之間僅有較小的摩擦力，無相應的抓取力，這種末端執行器在翻轉過程中如果出現一個小位移，便會導致面包擺放不正確。因此需要準確控制旋轉關節的轉速，由圖4可知，最佳角速度為9 rad/s左右。

改進后的面包片抓取操作的末端執行器如圖5所示。夾持器由一個130 mm×125 mm的聚縮醛樹脂材料制作成類似“槳”的結構構成。在“槳”的表面有一個較窄的溝槽，形成一個略小于面包片的矩形。當抓取器上產生真空時，通道中的氣壓會降低，當與面包片接觸時，面包兩邊的壓差會產生抓取力。為了測試抓取器的性能，再次將抓取器安裝至Puma機器人上，并進行多次測試。

當面包片夾持器夾持面包時，氣流會加速面包水分的流失，導致面包變干燥，不利于銷售。試驗結果表明，在所有的速度范圍內，夾持器均能很好地夾緊面包，當夾持時間低于1 s時，水分損失并不顯著。根據這個系統原型便可構建預生產模型，如圖6所示。多次試驗表明，該機器人制作三明治的速度為35個/min。

1. 機器人手腕 2. 面包 3. 爪

圖4 末端執行器測試圖

圖5 真空夾持器

2.3 末端執行器的包裝操作改進

在塑料盒的封盒中，存在塑料盒與蓋子的位置匹配問題。最常見的方法是將蓋子從塑料盒上向下傾斜一定角度，夾在下邊緣每個角上的夾子便可與塑料盒子的邊緣進行配對。潛意識中，操作者需一直檢查塑料盒與蓋子之間的作用力并不斷調整，以實現正確的定位。這一動作通常對機器人來說是不可用的，因為在大多數情況下，機器人只能按編好的程序進行規則重復的動作，如果蓋子的位置有任何錯誤都將導致放置失敗。

因此，采用機器人原型和末端執行器構建新機器的模擬原型。設計一個尺寸為135 mm×175 mm的平板，使平板接觸蓋子的整個表面，從而使所施加的力可以均勻地作用于蓋子上，以此來增加系統的可靠性，其具體操作如圖7所示。

如圖7所示，采用透明的籃子支撐物支撐機械臂，當一個垂直的力施加至籃子上時，這種結構可以扣住籃子，吸收施加在籃子上的力，以保證籃子的側面不會彎曲。多次試驗結果證明，該種方式并不會對籃子或蓋子造成損害。

為了確保蓋蓋子過程中，機器人能夠在一系列的路徑下進行正常運動，蓋子必須在公差范圍內進行運動。對每個路徑進行50次測試，并記錄鎖合失敗的次數，結果見表2。

1. 三明治 2. 末端執行器 3. 模擬繩送帶 4. 包裝向導 5. 機器人

1. 籃子支撐物 2. 籃子 3. 蓋子 4. 平板爪 5. 機器人

表2 關鍵設計參數的可接受公差范圍

3 結論

機器人原型技術在食品加工及包裝設備設計中的應用，所需的許多單獨過程均可以使用定制的末端執行器進行原型化，再進行測試，最后評估方案的適用性和可靠性。試驗表明，使用機器人可以在節省時間和經濟成本的情況下，構建完整的原型機并對其進行測試。確定公差和關鍵設計參數意味著在構建完整的原型時，可以有很高的參考標準，保證其可靠地按預期運行，減少了最終生產前需要修改的設計次數，提高了研制效率。