基于直角坐標機器人的軟袋再包裝自動上料系統

張志遠，李 琪，畢海深

（鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

在現代輕工行業中，對于設備的自動化要求不斷提高，而在輕工行業占有很大比重的包裝行業，更是在生產中存在著迫切的自動化要求。軟袋包裝是指采用柔性包裝材料制成包裝袋，其中充填流動性與半流動性物料的包裝形式。軟袋包裝廣泛應用于食品、化工、調味品、飼料添加劑和醫藥等行業。由于軟袋包裝物包裝表面一般帶有所包裝物料的重要信息，為了避免在物流運輸或使用過程中包裝物信息混淆甚至丟失，滿足對包裝物的再保護、信息化、儲存、美化和運輸等要求，需要對軟袋包裝物料進行再包裝[1,2]。

作為自動化設備的源頭，自動上料系統功能的實現對于整個自動化設備具有關鍵作用。軟袋包裝物料較盒裝包裝物與固體包裝物所具有的大變形量與大流動性的特點，使得對于軟袋物料的自動上料過程成為技術難題[1]。因此，很有必要對軟包裝物料自動上料系統進行研究。基于此，本文對內容物為流體的枕形袋狀的物料再包裝的自動上料系統進行研究，通過全自動交流伺服電機驅動的直角坐標機器人實現精確的位置控制，運用剛性氣動夾手抓取軟包裝物料，實現了軟包裝物料的自動化上料。并通過試驗驗證了該自動化上料系統的可行性。

1 問題的提出

在課題研究中，欲對用軟質塑料包裝為枕形袋的包裝物進行再包裝，包裝袋規格相同，內容物相同，按照圖1所示 1×3×6的方式按編號順序碼放。在自動作業開始后，按照圖1所示進行逆序上料，將軟袋包裝物料放置于圖1右端的傳送帶上，要保證軟包裝物料保持原有的放置方向不變，便于生產線中后續的相關操作。上料動作示意圖如圖1所示，機械夾手打開，由初始位置沿X軸向左移動至抓取X坐標位置，然后，沿Y軸下降，至抓取位置后，機械夾手閉合，抓住物料，然后機械夾手沿Y軸上升，至最高點后沿X軸向右移動至初始位置，根據動作要求，于每一組動作開始時機械夾手打開，將物料放置于傳送帶上。

圖1 上料動作示意圖

2 機械系統設計

根據設計任務描述，采用直角坐標機器人來完成Y方向的提升與下降以及X方向的水平平移動作，設計了專用末端執行機構完成抓取與釋放。

2.1 直角坐標機器人總體設計

直角坐標機器人一般由直線運動部分、控制部分、驅動部分以及末端操作器組成，最基本的組成部分是直線運動單元。利用直線運動單元間的各種組合可構成從一維、二維和三維機器人。具有高可靠性、高速度和高精度的特點且可用于惡劣的工作環境，可長時間連續工作，操作維修方便[3,4]。

依據運動描述，采用二維直角坐標機器人來滿足功能需要。選用ETB10-X32-750-L-P10-C5同步帶傳動滑臺工業機器人(以下簡稱750)與ETH5-L10-350-AC-P10-C5普通單軸絲杠工業機器人（以下簡稱350）組成上料用直角坐標機器人。由全自動交流伺服電動機驅動，通過對伺服電機的控制，來實現高的重復定位精度與點位控制。機器人具體參數如表1所示，機器人用伺服電機主要參數如表2所示。

表1 工業機器人參數[5]

2.2 末端執行機構設計

傳統的末端執行機構分為吸附與夾持兩大類[7]，由于軟袋包裝物料具有大變形、大流動性的特點，在隨直角坐標機器人做直線移動時，在吸盤內部產生的切向力會使得吸附的穩定性較差，不能滿足設計要求，所以采取夾持式末端執行機構。設計的夾鉗式機械手結構如圖2所示。

該夾鉗式機械手手部結構由四部分組成：機架為固定部分；氣缸為驅動部分；中間連桿機構為傳動部分；組合手指為夾持部分。夾持機械手整體通過機架與機器人滑塊固定。通過控制活塞桿的伸出與縮回，來控制機械手的張開與閉合。

圖2 專用夾鉗式機械手結構示意圖

上料用軟袋物料的外形尺寸為150×100×23mm（長×寬×高），根據上料需要，確定的機械手主要參數如表3所示。70mm的手指寬度，增加了夾持面積，提高夾持穩定性。最大的指間距保證在自動上料過程中，機器人有足夠的空間下行動作，機械手有足夠的動作空間完成夾持動作，而最小指間距保證在穩定抓取物料的同時不會由于距離太小而夾破軟袋。

表3 專用夾鉗式機械手主要參數

3 控制系統設計

該設備的控制功能主要包括：直角坐標機器人兩軸的直線運動插補和精確的點位控制，氣動機械手用氣缸的張開與閉合，保證上料動作抓取的準確性。由于需要兩軸插補與精確的點位控制，與實時的數據傳遞，所以采用運動控制卡為基礎來構建整個控制系統。自動上料系統是整個軟袋再包裝自動上產線的一個部分，還需要控制傳送帶用電機，以及下料分檢部分的三個軸的運動，故采用ADT-8960A1型六軸運動控制卡。該卡是基于PCI總線的高性能六軸伺服/步進控制卡，一個系統中可支持多達16塊控制卡，可控制64路伺服/步進電機，支持即插即用。

構建的控制系統在硬件上主要由以下幾部分組成：工業控制計算機(或者通用PC)；運動控制卡；直流伺服電機及驅動器；傳感器以及直連式機械手臂.整體形成一個閉環系統，另外還包括電磁鐵、電磁閥以及機械手汽缸[8]。如圖3所示。

圖3 控制系統控制原理圖

運動控制卡通過PCI插槽內嵌到PC機中，形成上位機和下位機的關系，PCI總線保證系統的實時與非實時的數據傳輸，具有高度的可靠性和可維護性[9]。PC機主要負責人機界面、實時監控和發送指令等系統管理工作；運動控制卡負責處理運動控制的細節，例如加減速計算、行程控制、多軸插補等，而且不占用PC機資源。安全設備采用光電限位開關限位，保證機器人運動時不會因為越行程而使電機卡死。運用示教再現的方法對機器人動作軌跡進行編程。在程序編寫過程中，通過在線示教的方式，運用Delphi語言，引用運動控制卡的底層函數完成兩軸的插補引導并控制機器人運動，記錄機器人作業的程序點并插入所需的機器人命令來完成程序的編制。采用點位控制（PTP）方式,只須示教各段運動軌跡的端點, 而端點之間的連續運動軌跡控制(CP)由規劃部分插補運算產生[10]。

整個系統流程如圖4所示。

通過工控機發出上料指令，運動控制卡發出脈沖信號，對X軸與Y軸的電機進行控制，完成機器人在兩個軸的分別動作，通過控制電磁閥的通斷來控制夾鉗式機械手的張開與閉合，從而控制物料的抓取與釋放。在釋放物料到傳送帶的動作中，需要控制Y軸機器人下行高度，保證在釋放過程中不會因為高度問題導致軟袋物料翻轉，影響隨后各個工位的功能實現。

4 試驗驗證

圖4 上料系統流程圖

根據設計，組建如圖3所示的自動上料系統，將包裝物按圖1所示順序碼放，進行了自動上料試驗，以200框共3600袋物料為例，按照實際所需的400袋/小時的速度進行上料，全部上料成功，即利用該裝置進行自動上料的成功率為100%。試驗證明，所研究的自動上料系統結構合理、功能齊備，可實現自動化作業中軟袋包裝物料的自動上料。

試驗樣機如圖5所示。

圖5 軟袋自動上料直角坐標機器人整體構成

5 結束語

由全自動交流伺服電機驅動的直角坐標機器人可實現精確的位置控制，剛性氣動機械夾手可

以夾取軟包裝物料，本文所設計的基于直角坐標機器人的軟袋包裝物料自動化上料系統可以實現軟袋包裝物料的準確自動上料，作為整個再包裝生產線的重要設備，可推廣應用于其他需要對軟袋包裝物料進行自動上料的包裝機械上。

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