（机械制造及其自动化专业论文）高速软袋装箱一体机的设计及其关键技术.pdf

摘要 本文密切结合二次包装领域软袋装箱需求，在江阴纳尔捷包装设备有限公司 的资助下，开展基于d i a m o n d 高速并联机械手的软袋装箱机电一体化设计工作， 并完成如下工作： 口 根据软袋装箱工艺，详细分析了装箱工作的需求，并在归纳多种方案的基 础上，提出一种系统集成度高、速度高、柔性好、成本低、功能齐全的方 案，即以d i a m o n d 高速并联机械手为核心，辅以开箱、放置隔板等功能的 系统总体方案。 口 根据物料抓放需求，确定了d i a m o n d 机械手末端执行器的运动轨迹，并据 此确定出操作空间和各部件的相对位置关系。在此基础上，提出软袋装箱 机的系统总体布局方案，完成了各子系统的结构设计并构造了整机的虚拟 样机模型。 口 提出软袋装箱控制系统软硬件的组态结构，完成系统信号隔离和大电流元 件驱动的设计和整机电控系统的制作；采用模块化设计方法和l a b v i e w 图 形化编程语言开发了控制系统软件。 口提出一种大弧度、往返最大加速度不同的操作空间轨迹规划方法，并通过 对三种运动规律的比较确定出时间最小方案。在此基础上，开展相关实验 研究，在保证抓放精度和可靠性的条件下有效地降低了等待时间，使得对 0 5 公斤物料的装箱速度达到8 0 次分。 口上述成果已经成功地用于新型软袋高速自动装箱的开发，填补了国内空白。 关键词：装箱一体机机械手机械设计电气设计系统集成 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l sw i t hc a s ep a c k i n gs y s t e m f o rt h ed e m a n di n s e c o n d a r yp a c k i n gi n d u s t r yf o rn - p v c t r a n s f u s i o na n du n d e rt h es u p p o r to fj i a n g y i n n e jp a c k i n gm a c h i n ec o m p a n y , ac a s ep a c k e rb a s e do nd i a m o n dr o b o ti sd e s i g n e d t h i si sat y p i c a lm e c h a t r o n i c sd e s i g na n da c h i e v e sg r e a ts u c c e s st h r o u g hs y s t e m i n t e g r a t i o n t h ef o l l o w i n gw o r ki sa c c o m p l i s h e d ： 口t h ec a s ep a c k i n gw o r ko ft h ef a c t o r yi sc a r e f u l l yo b s e r v e da n dd e t a i l e d i n f o r m a t i o ni sg o t t h e ns y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i si sd o n e c o m p a r eo ft h e s o l v i n gp l a n sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i si sm a d e ，a n df i n a ls o l v i n gp l a nw i t hh i g hs p e e d ，l o wc o s t , g o o df l e x i b i l i t yi sa c h i e v e d ， t h a ti sa ni n t e g r a t e dc a s ep a c k i n gs y s t e mu s i n gh i g hs p e e dp a r a l l e lr o b o t d i a m o n da si t sk e r n e lp a r t 口 a c c o r d i n gt h ep a t ho fm o v i n gp l a t f o r ma n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ew o r k i n gs p a c e ， t h e w o r k i n gs p a c eo fm a n i p u l a t o ri s d e c i d e d t h er e l a t i v ep o s i t i o no f s u b - a s s e m b l ya n dt h es y s t e md i s t r i b u t i o n i sf i g u r e do u t t h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ei sd e s i g n e da n dv i r t u a lp r o t o t y p ei sb u i r 口 c o n f i g u r a t i o no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s s i g n a li n s u l a t i o na n dd r i v i n go fl a r g ec u r r e n tu n i ta r e a c c o m p l i s h e d e l e c t r o n i c a n dc o n t r o ls y s t e mi s b u i l t u s i n g m o d u l a r i z e d s o f t w a r es t r u c t u r ea n db a s e do nd a t af l o w , s o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yl a b v i e w g r a p h i c a ll a n g u a g e 口t h ew h o l es y s t e mi sd e b u g g e da f t e ri t ss e t t l e m e n t ap a t hw i t hl a r g er a d i a na n d d i f f e r e n tm a x i m u ma c c e l e r a t i o no u ta n dh o m ei sp r o p o s e dt oi n c r e a s eo p e r a t i n g s p e e d o nt h eb a s i so ft h a t ，p a r a m e t e rs e t t i n ge x p e r i m e n ti sd o n et om i n i m i z e t h ew a i t i n gt i m eo fp i c ka n dp l a c eo p e r a t i o n ，a c h i e v i n gt h es p e e do f8 0t i m e s p e rm i n u t e 口t h e h i g hs p e e di n t e g r a t e dc a s ep a c k e rf u l f i l l st h eb l a n ko ft h ed o m e s t i cm a r k e t k e yw o r d s ：c a s ep a c k a g i n g ， i n t e g r a t e dm a c h i n e r y ， m a n i p u l a t o r ， m e c h a n i c a ld e s i g n ，e l e c t r o n i cd e s i g n ，s y s t e mi n t e g r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢强良虹签字吼7 年2 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞：盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘j ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：乃叼年 l 联复去 2 月7 日 导师签名： 1 黼期：夕7 年2 月枷 天津大学硕士学位论文 1 1 、课题研究背景和意义 第一章绪论 输液是临床中广泛采用一种药品注入方式，药液的存放容器主要采用以玻璃 瓶和塑料瓶为代表的硬包装，以及以p v c 复合膜及非p v c 复合膜为代表的软包 装。其中玻璃瓶输液包装占5 0 ，p v c 软袋、非p v c 软袋及塑料瓶等软包装占 5 0 t 1 1 。 与其它包装形式相比，非p v c 多层共挤膜软袋输液包装具有明显的优点【2 】， 包括：与多种药物都有很好的相容性，安全可靠：机械强度高，表面光滑，能够 阻止水气渗透；输液中无需形成空气回路，避免空气的污染；减少了来自生产、 运输过程中的污染，且温度适应性强；从原材料体积小，仓储费用低；便于运输； 回收方便，更具备环境友好性。因此是一种较理想的的液体药品的包装形式。鉴 于上述原因，国家经贸委提出应适度控制玻璃瓶包装，鼓励使用优质复合膜包装 的目标i 并要求在2 0 0 8 年非玻璃瓶药液包装达到总量的2 0 左右【3 j 。 非p v c 多层共挤膜软袋药液包装包括以灌封工序为代表的一次前道包装和 以装箱工序为代表的二次包装。随着我国非p v c 多层共挤膜材料，专用制袋、 灌封设备的国产化，二次包装技术已经成为输液软袋的自动化生产的瓶颈问题。 其原因在于：1 ) 因缺乏自动化二次包装设备，必须依靠大量的人工包装，容易 引入污染，存在药品安全隐患，2 ) 引进昂贵的进口设备将导致企业的经济负担。 非p v c 软袋输液的二次包装技术是指制袋、灌封之后的包装，主要包括套 袋、开箱、装箱、封箱、码垛五个环节，其中套袋、开箱、封箱、码垛四个环节 均已有成熟的技术及设备，唯独装箱由于产品的特殊性，除了少数昂贵的进口设 备外，国内尚无同类产品。为此，针对我国医药工业需求，研究与开发高速自动 化软袋装箱技术及装备，对保证药品质量，提高我国医药生产的技术水平具有重 要的意义。 1 2 国内外发展状况 第一章绪论 1 2 1 软袋装箱技术 武汉人天包装机械有限公司于2 0 0 4 年开发了d k x 1 a 型( 单排) 和d k x s i a 型 ( 双排) 小袋物料专用装箱机( 图卜i ) ”j ，这两种装箱设备均利用输送机将物料以 自由落体方式按指定的数量、层次和排数掉入纸箱中实现装箱。该机已应用于制 盐行业小袋物料的自动装箱。但该方案存在以下缺点：i ) 由于其是专用机构，产 品柔性差，更换软袋或纸箱规格后需要复杂的调整工作。2 ) 由于采用软袋抛物线 形式以及皮带缩进的方式软袋摆放不整齐。3 ) n 盐袋等固体软袋相比，液体软 袋变形厉害- 该装备难以适应。4 ) 需在前端进行收集整理工作，否则无法装箱。 图卜2 机器 装箱机 天律大学硕士学位论文 作人员：4 ) 需要进行适度的改造方可适应国内包装生产线；5 ) 维护不方便。 图1 3 所示为2 0 0 6 年江阴纳尔捷包装设备有限公司购买天津大学制造装各 和系统研究所的d i m l l o n d 机械手”伽 2 1 的专利后，与天津大学合作开发的 高速软袋装箱机。该机已经在北京双鹤药业得到了成功应用实现了很好的经济 效益和社会效益。但该机存在以下缺点：功能单一系统集成度低且设备占地 面积大。所以，研究一种系统集成度高、速度高、价格低廉、柔性好的装箱解决 方案，具有十分重大的意义。 圈1 4 扛阴纳尔捷自动开箱机图i + 5 大连佳林开箱机 第一章绪论 速开箱机、普通开葙机两种。不同种类的开箱机其设计、结构和控制系统也不尽 相同。其中立式普通开箱机如江阴纳尔捷包装设备有限公司和大连佳林公司生产 的全自动开箱机，它采用气缸作为驱动元件、用p l c 作为控制系统的核心，其开 箱步骤分为吸取箱皮、矫正纸箱形状、打内外折页、进给、底部封口等几个步骤。 整个开箱工作过程中流程规划显的尤为重要，只有精确计划每一个气缸的动作时 间顺序和延时才能在有效提高开箱速度的同时保证开箱质量。又如美国c o m b i 公司的开箱机是一种卧式高速开箱机，其工作步骤和纳尔捷开箱机大致相同，其 吸取箱行程极短，且采用电机带动传送带实现纸箱高速进给，从而大大缩短进给 时间；另外打内外折页同时进行，从而大大减少了折页气缸运动所占用的 时间，因此其开箱速度远远高于立式普通开箱机。但该设计以空间代价来换取开 箱速度的提高，因而其占地面积大，难以满足目前很多小面积厂房的厂家生产扩 圈i - 6 西班牙p e a r s o n 公司自动开箱机图1 7 美国l p s 公司自动开辖机 图i - 8 美国c o m b i 公司生产的高速卧式开箱 天津大学硕士学位论文 能要求。其它几种开箱机或类似于纳尔捷开箱机，或类似于c o m b i 公司的开箱 机，它们都存在开箱速度和占地面积的矛盾，所以如何在减小开箱机的占地面积 的同时提高其开箱速度并保证开箱质量的良好和稳定，是衡量开箱机设计成败的 重要指标。 1 2 3 轨迹规划技术 为了实现诸如装箱这种特定任务，一方面要求机械手在满足路径约束和障碍 约束条件下，以尽可能短的时间从起始点运行到目标点，以便有效地缩减操作时 间，提高生产率。另一方面，要求机械手运行过程中轨迹平滑、速度及加速度处 处连续，以保证末端在作业空间内精确达到预定点位。为满足以上要求，须对机 器人进行轨迹规划。 机器人的轨迹规划问题可分为两类。一类是路径规划，即给定机器人的运动 规律和经过的空间位置点，寻求一条满足路径约束和障碍约束的合理路径。这方 面的工作可在关节空间进行【1 9 】f 2 0 】 2 h 【2 2 1 ，也可在笛卡尔操作空间进行，这两种路 径规划方式各有优缺点，关节空间的轨迹规划相对简单，不会出现奇异位形，而 且容易实现在线控制，但由于机械手末端轨迹与关节坐标空间状态并不是一一映 射关系，单纯对关节坐标空间进行优化，很难保证末端轨迹的光滑性和连续性， 可能导致机械手末端的轨迹产生无法预料的后果。另外，对于并联机械手，各主 动关节的位移、速度和加速度通过末端位姿相关联，并存在某种关系，分别对各 关节进行优化会出现末端轨迹与关节轨迹不匹配的现象，另外由于并联机构的正 解问题会出现多解现象，给优化带来了不必要的麻烦；单独在笛卡尔空间对机器 人进行轨迹规划，相对比较直观，但由于末端位置测量困难，难以实现运动控制， 在规划过程中容易进入机器人的奇异位形，无法满足驱动器的物理约束。 轨迹规划的另一类问题是给定机器人的运行路径，规划机器人的运动规律和 控制策略来满足工程要求。它是改善其运动性能、提高生产率的重要途径。近年 来关于机器人轨迹规划的研究已越来越受到重视。目前对机器人轨迹规划的研究 大多针对串联机器人或移动机器人，而对于并联机器人路径规划的研究很少见文 献报道。因此系统深入的研究并联机械手的轨迹优化问题，寻求最优的运动规律 和运动轨迹，具有十分重要的意义。 1 2 4 位置感知技术 物料装箱过程中，物料位置的感知必不可少。位置感知即测量静止或高速运 动中的物料在某一个时刻的位置。对于位置的测量可能是精确位置的认定，也可 能为简单的物体出现与否的认定。其中对物体精确的相对位置的测量，可以分为 第一章绪论 非接触式测量和接触式测量。接触式铡量采用机械传感器，其钡j 量精度和响应速 度都较低。非接触式测量主要通过电感、霍尔元件等电磁器件及编码器、光栅尺 等光电感应器件来实现口”。另外通过机器视觉的前沿测量手段在目前也开始出 现，如图1 - 9 所示的a b b 公司借助于a d e p t 技术开发的基i f - d e l t a 并联机构的视觉 机械手 r b3 4 0f l e x p i c k e r 口，它适台杂乱物料的精确位置认定，能满足无序或任 意摆放目标物体的抓取操作。而目前多数场合仅需要对物料的出现与否进行认 定，该认定通过适应性实验采用普通的光电传感器即可完成。如图】一1 0 1 2 s 】，为 光电传感器在检测物体有无的几种典型应用，从左到右分别是纸箱、浮起、车轮、 轮胎。 图i - 9i r b3 4 0 在食品行业中的应用 噙礁鹣煞 1 - 1 0 光电传感嚣的几种典型应用 1 2 5 信号隔离和电气元件驱动技术 装箱生产过程中监视和控制要用到多种自动化仪表、传感器、计算机及相应 执行机构，过程中处理的信号有的微弱到毫伏级，有的大到数十伏甚至高达数 白伏、数十安培。从频率上讲有直流低频范围的信号。也有高频，脉冲尖峰信 号。设备、仪表间信号互扰成为系统调试中必须要解决的问题。要保证信号的完 整正确传送，理想化的情况是所有设备、仪表中的所有强、弱信号还应有一个共 天津大学硕士学位论文 同的参考点。在实际环境中，这一点是不可及的。在实际应用中往往采用对输入 输出信号的隔离达到此目的。因此从控制系统的安全性、可靠性角度出发，对信 号的隔离很有必要。 常用的信号隔离的形式有： 1 ) 采用光电隔离技术：该技术驱动能力 小，不能对需要大电流的元件进行驱动。 2 ) 普通的机械继电器：任何一种继电器在 作为关断元件时一定会有吸合延时和释放延 时。而在机械手某些电磁阀控制时对于时间要 求非常严格要尽可能的减小延时。同时由于 继电器机械触点都是有一定的寿命，一般仅为 百万次。而机械手某些气动阀门动作次数接近 得力不从心。 图1 - 1 l 电子继电器 o o 万扶月。因此使用继电器显 3 ) 电子继电器：国际整流器公司研制的全新m e r 电子继电器( 图1 - 1l j 可 取代机械继电器，其实质是将普通光电隔离元件和整流元件进行简单的集成，并 添加部分驱动保护功能。但在驱动大电流元件时电子继电器仍然力不从心。 所以研制一种既具备信号隔离功能又可以驱动大电流元件的隔离驱动装置 对机械手能否得到工程应用显得十分重要。 1 3 本文研究的主要内容 本文以国内软袋二次包装领域的巨大市场需求为背景，以天津大学发明的 d i a m o n d 机械手为核心，结合国内医药生产企业二次包装的具体需求研究基于 该机械手的软袋装箱一体机系统设计技术。全文内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，简要回顾相关领域的国内外同类产 品，评述其中一些关键技术国内外研究现状，提出本文主要研究内容。 第二章根据软袋装箱工艺分析装箱工作需求，并在归纳多种方案的基础 上，提出系统总体布局方案。 第三章研究确定操作空间及各子系统相对位置的方法，形成系统布局，并 据此构造各予系统和整机的虚拟样机。 第四章研究软袋装箱机控制系统软硬件的体系结构，采用模块化设计方法 和l a b v i c w 图形化编程语言开发控制系统软件。研究软硬件联合调试方法和操作 空间轨迹规划方法，并用于工程样机的开发。 第五章给出全文结论。 第二章系统总体方案规划 2 i 引言 第二章系统总体方案 机械系统的设计工作包括四个阶段口1 ：产品规划、方案设计、技术设计、与 施工设计。产品规划和方案设计阶段涉及分析产品需求、确定设计参数及约束条 件，且通过寻求合适的作用原理，选择最佳原理解。该阶段是产品性能、成本， 质量水平及竞争能力的关键，要求充分发挥创造性，掌握系统化设计方法，并且 能够利用技术经济评价方法进行合理的决策。 本章将根据工艺需求，开展软袋装箱机的产品规划和方案设计工作。在认真 考察具体生产工艺前提下，将详细分析对装备的功能需求，井对实现具体功能的 各种可能方案进行论证，进而从中优选出最终方案。 2 2 系统需求分析 需求分析的方法有很多，包括原型化方法、 圈2 - 1 需求分析初始阶段 的核心，然后通过不断地扩充修改，逐步追加新 要求，发展成为最终系统。装箱一体机基本功能 为装箱，在此阻将软袋放入箱中作为系统核心需 求。围绕该需求逐步细化分析系统需求，最终得 到完善的系统需求目标。分析的初始阶段，通过 得出系统最主要的需求( 图2 - i ) ，包括纸箱供给、 结构化方法、动态分析法等哪l 。 本文采用进化型分析策略，先构 造一个功能简单而且质量要求 不高的模型系统，作为最终系统 圈2 - 2 开箱需求示意 软袋供给、将软袋放入箱中、排出纸箱四大部分。仔细分析纸箱供给需求，仓库 供给的不是已成型的纸箱，而是由纸箱厂生产的箱皮，需经过某种处理将其转变 天津大学硕士学位论文 为成型的纸箱。所以该需求主要由两部分组成，即开箱( 图2 - 2 ) 、纸箱输送。分 析软袋供给，前道包装工序的套袋机将软袋套上一层保鲜膜后并输出到装箱工位 进行装箱，因此对于此处其主要需求即为输送。同理纸箱排出的具体需求也是输 。送工作。图2 一l 经过上述细化演化成如图2 3 所示的一级细化需求图。如上述步 骤把简单细化后的系统需求进一步细化研究，反复进行，得到最终系统需求分析 图( 图2 - 4 、图2 5 、图2 6 ) 。其中主体仍为四个部分，但均进行了扩展和细分。 图2 3 简单细化后需求图 图2 4 细化后开箱需求图 图2 - 5 细化后软袋输送需求图 第二章系统总体方案规划 图2 6 细化后软袋装箱需求图 纸箱供给需求包括盛箱皮、纸箱进给、吸取纸箱、内外折页成型、底部封口输送 纸箱、成型纸箱缓存等部分。软袋供给需求包含与套袋机接口、转弯输送、爬坡 输送、与装箱部分接口、装箱输送等部分。软袋装箱需求包含软袋位置检测、抓 取放置软袋、放置垫板、纸箱进给、抓放位置调整等部分。 2 3 方案选择 2 3 1 选择标准 详细进行系统需求分析，明确了解系统的具体工艺应用场合环境及具备的功 能。以此为基础，寻求该系统所应具备的功能的解决方案，将之一一列出并比较 其中的优点和劣势，择优选择得到可行的方案组合。由于该设计是典型机电系统 一体化设计，因此统筹考虑机械系统、控制系统的实现能力，取长补短，发挥机 械系统和控制系统各自的长处，以达到系统设计实现的最佳化。在规划方案时考 虑了系统柔性、可扩展性、修改的难易程度( 系统搭建的难易程度，元器件采购 的难易，交货期的长短) ，并尽可能降低系统总体成本( 包括设计费用、制造费 用、软件编程费用、安装及调试难易程度、以及售后服务成本) 。购买该产品的 使用者的技术水平、设备维护能力也被适当加以考虑，尽可能选择一种使用厂商 设备维护人员熟悉的控制方式，降低机械结构的复杂程度，提高设备的可维护性。 2 3 2 确定解决方案 确定选择方案的基本标准后，对照需求分析所列的系统功能需求，逐个提出 解决方案并进行比较。在实现先后上，先解决系统核心功能即抓取放置功能的方 案，再考虑外围辅助功能的实现方案。对需求分析所罗列的功能进行分析总结， 天津大学硕士学位论文 包括盛箱皮料台、纸箱进给机构、吸取纸箱机构、内外折页成型机构、底部封口 机构、送纸箱机构属于开箱部分；成型纸箱缓存、与套袋机接口、转弯输送线、 爬坡输送线、与装箱部分接口属于输送部分；装箱本体输送线、软袋位置检测、 放置垫板、纸箱进给、抓放位置调整等属于装箱部分，以下此三方面阐述解决方 案。 ， 2 3 2 1 装箱部分解决方案 国内外有两种解决方式： 1 ) 使用皮带缩进的方式f 2 9 】，该方式具体为软袋从上游皮带传送的本机，此 时软袋仍然在高速运动，而皮带是可以进行缩进的，缩进时具有几个特殊的停止 位置，软袋运动到某一位置后皮带快速缩进，使软袋和皮带脱离。软袋失去支撑 后以抛物线轨迹落入箱中( 图2 7 ) 。该方案可以满足软袋装箱的功能，并且在固 体软袋装箱的场合实现了成功应用。但该方案由于依靠软袋自身惯性以抛物线的 1 l - 软袋2 一皮带3 - 纸箱 图2 7 皮带缩进式软袋装箱方案 路径落入箱中，其柔性差，更换产品后需要复杂的调整工作，且软袋摆放不整齐。 同时由于液体软袋变形厉害，不能适应液体软袋。 2 ) 机器人装箱：该方案由一种安装了特殊执行器的高速并联机械手将软袋抓 起，之后软袋和机械手共同运动，达到指定的放置位置后执行器松开，将软袋放 入箱中。该方案分为： 1 ) 国外的b r a n d m a nl a k eg r o u p 采用的d e l t a 型三自由度高速并联机械手， 它先对软袋进行收集，然后一次放入多个软袋( 图1 2 ) 。但该机存在以下缺点： 1 ) 设备价格高，该机在国外销售价格折合人民币2 0 0 万元，国内厂家难以承受； 2 ) 设备占地面积大，系统集成度低；3 ) 操作复杂，国内一般厂家难以有高水平的 操作人员；4 ) 需要进行适度的改造方可适应国内包装生产线；5 ) 维护不方便。 第二章系统总体方案规划 2 1 由天津大学发明的两自由度高速并联机械手d i a m o n d 。该机非常适合只 需要在一个平面内高建运动的场合。而这个特性这是非常适合工作需求，并且由 于工厂实繇工况是8 0 次份，因此并不需要事先对软袋进行收集( 图i - 3 ) 。综合以 上考虑，选择d i a m o n d 高速并联机械手作为该系统的核心部分，实现高速抓取 的工作。 i 髫淘阍l 僵湖擘露馑 ( a ) 料台 ( b 】纸箱进给 2 3 2 2 开箱部分解决方案 ( d ) 打内外折页、底部封口 图2 - 8 卧式开箱机开箱过程 国内外主要采用两种开箱设计方案：i ) 卧式开箱：纸箱皮卧放于料台上( 图 2 - 8 ( a ) ) ，进给机构带动吸盘吸取单个箱皮，经短行程将其放于快速链式输送平台 ( 其上安装有纸箱定位装置) ，由该输送台快速进给到开箱位置( 图2 - 8 ( b ”，后纸 经箱矫形( 图2 - 8 ( c ) ) 、打内外折页、底部封r l ( 图2 - 8 ( d ) ) 使纸箱成型。2 ) 立式开 箱：纸箱皮立放于料台( 图2 - 9 0 ) ) ，由气缸带动吸盘吸取箱皮经长行程将其拉回 到打折页位置( 图2 - 9 ( b ) ) ，在拉回的过程中对纸箱进行矫正( 图2 - 9 ( c ) ) ，使其初步 天津大学硕士学位论文 具备成型后的立方体形态( 图2 - 9 ( d ) ) ，之后由打内外折页气缸将纸箱成型( 图 2 - 9 ( e ) ) ，最后由将纸箱送入底部封口工位( 图2 - 9 ( d ) 。这两种方案各有优缺点：前 者气缸行程短，进给迅速，并且纸箱矫形、打内外折页、底部封口同时进行，所 以开箱速度高，但是它占地面积大，生产线排线困难，另外成本比较高。而后一 种方案虽然开箱速度相对较低，但占地面积小，成本低，同时该方案可咀满足设 c ) 矫形 ( a ) 吸取纸箱( b ) 吸取过程中 ( e ) 打内外折页( o 底部封口 图2 - 9 立式开箱机开箱过程 各设计需求，所以采用后者。 2 223 软袋与纸箱输送部分解决方案 第二章系统总体方案规划 目前的自动化流水线输送形式主要有皮带( 图2 - 1 0 ) 、滚筒( 图2 - 11 ) 、链扳 ( 图2 - 1 2 ) - - 种。必须合理选择和搭配其形式使系统各个功能模块的衔接流畅。在 应用中滚筒输送机适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不 规则的物品需放在托盘上或周转箱内 输送单件重量很大的物料，或承受较大 的冲击载荷，结构简单，可靠性高，使 用维护方便。因此将其用作开箱后的输 送及缓存、装箱完毕后等待封箱的缓 存。而链板输送线可咀输送散料、小件 物品或不规则的物品，并适合转弯和爬 坡，但其速度较皮带输送慢，所以在软 袋低速部分使用该输送形式。而皮带输 圈2 - l0 滚筒输送线 图2 - i i 皮带输送线圈2 - 1 2 链板输送线 送线适合散料、小件物品或不规则的物品输送，同时速度较链板输送要快，所以 在软袋输送上高速部分即装箱工位采用皮带输送的形式。 2 3 2 4 系统整体解决方案 系统整体解决方案由开箱、装箱、输送三部分组成。其开箱采用立式开箱形 式实现，成型的纸箱进入滚筒输送线以实现如下两个功能：1 ) 向装箱部分供给 纸箱；2 ) 成型完毕的纸箱的缓存。之后纸箱被送到装箱工位等待软袋装箱；软 袋经链板输送线进入装箱工位的皮带输送线待机械手将其抓取放入箱中：机械 手等待软袋输送到位迅速抓起，放入纸箱中。上述解决方案代人得到的系统需 求图，可以更新系统解决方案，如图2 - 1 3 ，图2 - 1 4 ，图2 1 5 所示。综合上述方 案规划得到系统方案图( 图2 - 1 6 ) ：其中隔板放置部分为下隔板吸取气缸上移吸 取隔板槽内隔板后下移将隔板放至隔板传送带上。隔板传送到位后，传感器指 天津大学硕士学位论文 示灯亮，上吸气缸下移，吸取隔板后上移。之后由另一气缸将其送到纸箱横向中 心位置；开箱部分进行纸箱成型，当纸箱被输送到第一个预定位置时上吸气缸向 下方运动到位放下隔板。纸箱输送带继续前进，当第二个预定位置的传感器检测 到纸箱后，夹箱气缸便把纸箱夹住，机械手按照程序来检测、抓、放输液袋。抓 放完一箱后进给一定距离，如此往复。 图2 1 3 软袋输送解决方案图 图2 1 4 开箱解决方案 图2 1 5 软袋装箱解决方案图 第二章系统总体方案规划 2 4 本章小结 图2 1 6 高速软袋装箱一体机总体方案图 本章根据软袋装箱工艺，得到了其装箱需求，并据此确定了以d i a m o n d 高 速并联机械手为核心的高速软袋装箱一体机系统总体方案，得出如下结论： 1 ) 在认真考察了工厂具体生产工艺的前提下，运用进化式分析模型，以装 箱工作为核心，逐步添加和完善，得到了细化后的开箱、装箱、软袋输送需求模 型。 2 ) 根据得到的系统需求，提出并分析了各功能的解决方案，选择了一种系 统集成度高、速度高、柔性好、成本低、功能齐全的方案，即以d i a m o n d 高速 并联机械手为核心，辅以开箱、放置隔板等功能的系统总体方案。 天津大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章机械系统技术设计 按照机械系统设计的步骤【27 | ，技术设计涉及以技术经济分析结果为依据，明 确、完整地确定技术产品总体和各子系统布局，校核、计算和优化构型和尺寸参 数，以便指导技术报告、工程图纸的绘制和说明书的编写。 本章根据上述要求，完成软袋装箱机技术设计的任务，包括总体布局设计、 各子系统结构和尺寸参数设计、造型设计、以形成各子系统和整机的虚拟样机模 型，用于工程图的绘制工作。 3 2 总体布局设计 3 2 1 机械手操作空间 进行整机总体布局中，首先需要确定机械手的位置及其尺寸参数。而欲知该 其尺寸参数，则需根据装箱工艺要求得到操作空间，之后运用尺度综合理论得到 名义尺寸参数。 机械手工作任务是将质量最高为5 0 0 9 的输液软袋抓取并放入纸箱中。软袋由 物料输送线输入，纸箱经由滚筒输送线输入。决定机械手的操作空间需求，必须 先确定动平台的运动需求：首先确定输送软袋的皮带输送线和输送纸箱的滚筒输 送线的相对位置，机械手动平台所作的运动即从皮带上方某一特定的高度到机械 纸箱上方或纸箱中某一位置。纸箱输送线和皮带输送线之间的相对位置和纸箱的 尺寸相关：设纸箱尺寸为a x b x c ，其中a 为长度，b 为宽度，c 为高度( a 的变 化范围是2 0 0 m m 4 1 0 m m ，b 的变化范围是2 0 0 m m 3 5 0 m m ，c 的变化范围是 1 5 0 m m - 4 2 0 m m ) 。考虑软袋从纸箱上方放入纸箱，将皮带输送线位置布置于纸箱 的滚筒输送线上方如图3 - 1 所示。 d i a m o n d 高速并联机械手适合于在平面内的高速运动，该平面布置在和软袋 在皮带上的运动方向垂直的位置。动平台运动路线即从软袋输送线上方到纸箱上 方或箱中。由于纸箱高度达4 0 0 或更高，机械手运动速度优势部分为水平轴方向， 因此设计操作空间时并不规划机械手运动到纸箱底部，而是纸箱中某一位置。设 机械手抓取软袋时需深入纸箱的高度为5 0 m m ，软袋输送线距离纸箱顶部1o o m m ， 软袋 软袋 第三章机械系统设计 ( a ) 正视图 一 ( b ) 俯视图 图3 1 软袋输送线和纸箱输送线相对位置示意图 溪甄运动空间需求熟作空间需求 。1 7 0 m m1 4 0 m m 1 4 0 m m - il 4 5 0 m m l 图3 - 2 动平台运动路线图 - 1 8 1 0 0 0 m m n o o 暑吕 天津大学硕士学位论文 机械手的动平台距离软袋输送线5 0 m m ，由图中得出动平台的运动路线。 由图3 2 可见，机械手动平台所运动的最远空间是2 0 0 m m x 4 5 0 m m ，考虑到 d i a m o n d 机械手可达空间由四段弧线组成( 图3 3 ) ，将机械手动平台初始位置放 置于软袋放置的第三个位置正上方，便可充分利用其在y 方向的下探能力，因 此适度缩小y 向的尺度，可使其操作空间变为1 5 0 m m x 9 0 0 m m 。又考虑需要将 工作空间沿x 向的尺度留有一定余量，故最终得到的操作空间为 15 0 r a m 10 0 0 m m 。 黼运动空间需求飘作空间需求缴作空间 o- y 、 工x 、 1 |i 土羚 l f 、 i | r l ! 一 ：一 ， ， jl 、 冬 彬 ， ， ， h | ki 一? 。夕 只，j 斗、， ； 一_ 一 。 ；：t l ，1 、1 麟鬻蕤瓣_ 二 ， q ， 6 _ - ：n 、 、 一 ，- 。 一： 、。 = ，一一一，7 工作空间啊 图3 - 3 机构工作空间 如图3 3 所示，令主动臂的上极限位置角为以，转角范围为口。当给定见， 口， i i ，：和p 后，动平台上参考点0 的可达空间形为主动臂到达上、下角极 限时，以点纠和群为圆心，以乞为半径四段圆弧所围区域。 据此，机构的尺度综合问题可归结为：在给定工作空间宽度b = 1 0 0 0 m m 和 高度h = 2 0 0 r a m 条件下，确定f l 、z ：、p 和h ，使得机械手全域操作性能最优的 问题。 第三章机械系统设计 由文献1 川所述，可以得到优化后的尺度参数为，l = 3 7 5 m m ，2 = 8 2 5 m m h = 8 3 0 m m m9 0 m m 3 2 2 系统整体布局设计 开箱部分的功能为供给纸箱。因此其布局从纸箱在装箱时所处的位置入手 图3 4 较袋输送线、纸箱输送线、开箱机输出相对位置图 1 机械手2 操作空间3 - 纸箱4 - 较袋输送线5 - 纸箱输送线6 纸箱排出7 - 欹袋 圈3 - 5 软袋输送线、纸箱输送线、开箱机输出、机械手相对位置正视、俯视圈 如图3 - 2 ，将纸箱和软袋输送线的相对位置确定，从而作为纸箱缓存开箱机 的输出口的滚筒输送线的位置可以确定( 图3 - 4 ) 。输出口和纸箱缓存的相对位置 关系，即可确定开箱部分相对于软袋输送线的位置，即软袋输送线、纸箱缓存、 开箱部分的相对位置。 o 蔫荤蓝氅 天津大学硕士学位论文 1 机械手2 - 纸箱3 - 放置隔板装置4 - 欹袋输送线5 - 纸箱输送线6 - 纸箱排出 图3 - 6 较袋输送线、纸箱输送线、隔扳放置开箱机输出、机械手相对位置正视、俯视图 圉3 7 各个部件相对位置国 此后，根据机械手与软袋、纸箱的相对位置( 图3 - 2 ) ，及其操作空间与尺度( 图 3 3 ) ，可以得机械手和软袋输送线、纸箱输送线在其运动平面内的位置关系( 图 3 - 5 ) 。而其俯视的相对位置可从软袋装箱的要求来决定即软袋的中心线，和纸 箱的中心线重和，从而要求动平台的中心线和纸箱输送线的中心线重和( 图3 5 ) 。 确定了咀上部件的相对位置之后还需要确定装隔板部分的位置。装隔板的气缸 的位置水平中心线和纸箱中心线重和在放隔板位置，其吸盘轴线和纸箱中心线 相交( 图3 - 6 ) 。最后得到的系统各个部件布局如图3 7 。 第三章机械系统设计 3 3 各于系统结构设计 3 3 1 开箱部分设计 图3 - 8 立式开箱部分 由图2 1 5 知，开箱部分功能分为立式料台、链式进给、进给电机、吸盘、 内外折页气缸、封口机构等组成。在开箱部分的设计过程中，其料台、进给、吸 盘、封口机构等在机械设计手册都可以查到，可以有借鉴，本部分将不予讨论。 以下主要讨论在此次设计过程中的创新部分，即纵向进给部件的加减速规划和纵 向进给部件的加减速规划。在立式开箱( 图3 8 ) 的设计中，开箱过程是由纵向进 给部件带动吸盘吸取纸箱皮，然后箱皮和进给部件同时运动。在吸箱是依靠吸盘 的吸力，但一般吸盘建立真空需要一定的时间，且如果纸箱皮质量不高，其吸力 目前最常用的加减速控制方法有直线加减速、三角函数加减速、指数加减速、直 线和抛物线加减速和s 曲线加减速几种方法。 图3 - 9 指数加减速图3 - 1 0 直线加抛物线加减速 天津大学硕士学位论文 v 一 笔飞 7 图3 1 1 直线加减速 v j i 歹。 乱。 、 、 i 、 、 i 7 图3 1 2 三角函数加减 其中直线加减速在加减速时加速度产生突变，对电机造成一定的冲击。而开 箱机的纵向进给机构抽象出来是一个典型的弹簧片，如果此时遇到冲击，可能会 引起振动。所以不宜选择这种加减速方式。指数型加减速控制算法，和直线型相 比较其控制算法复杂且在启动和停止时同样对电机产生冲击，不宜选用。直线加 抛物线算法同样在起点和终点会对电机产生冲击，不宜选用。三角函数控制算法 可以实现平滑的运动，对于实时性要求很高的场合不宜选用，本机构其运动特定， 其加减速过程也就不需要实时计算，可以进行离线计算，之后存储于计算机中进 行调用即可，因此选用此方法。而s 曲线算法复杂，一般用于高精度的生产中， 本机构不予选用。 设系统最大加速度为口一，加速时间为乙，初始速度v o ，其加速度为 a = a 一( s i n ( t t 。) 万) ( 3 - 1 ) 而加速段速度由其积分得到 v ( f ) = 一q 。( f 。万) ( ( c o s ( ( f f 。) 万】) 一1 ) + v o ( 3 2 ) 减速段速度由积分得 1 ，( f ) = e 。一0 。村万) ( 1 一e o s ( ( t o 一) k ) 万】) f 3 - 3 ) 式中t c 为匀速运行时间，设最后减速到v ，即 v 矗= 2 ( f 。万) + v o ( 3 4 ) 屹= v m 。一2 口。，o 蒯万) ( 3 5 ) 在开箱机设计中，v 0 = 0 ，v 2 = 0 ，得 = 2 z t ) (3-6) 2z 。l f 。j f 、 0 = v i 。一2 ( f 。d 万) ( 3 7 ) 由于其口一为一个固定值，由经验得 a 。5 m s 2 ，= = t m = 0 2 s ， ( 3 8 ) 第三章机械系统设计 加速段位移由其积分得到 匀速段位移由其积分得到 减速段位移 = ( 1 万) 【一( 1 5 ) s i n 5 m 。+ k 】 ( 3 9 ) t = t ( 1 万) ( 3 1 0 ) 劫= 1 5x ( 5 n t m + s i n ( 5 n t m d ) ) t r 2( 3 11 ) 运动总路程s ， s = + & + 勤 ( 3 1 2 ) 在开箱机设计中，s = 4 7 5 m m ，由此可以求得 t = 0 5 5 s ( 3 - 1 3 ) 总时间 r 2 k + + t = 0 9 5 s ( 3 1 4 ) 在开箱机的动作规划中，为保证开箱效率，要求吸取纸箱皮的总的运动时间不大 于1 5 s ，从上述可以看出，加速度规划符合要求。其加速度、速度曲线如图3 1 3 ： 图3 1 3 纵向进给加速度、速度曲线 为验证上述加速度规划的正确性，利用p r o e 建造虚拟样机【3 2 】【3 3 1 ，将规划后 的轨迹点参数导入关节，进行动力学仿真，可以得到如图3 1 4 的结果，仿真结 果显示规划符合要求。 由于上述进给部分采用丝杠传动，其导程为2 0 m m ， s ：0 0 2 x r( 3 1 5 ) 天津大学硕士学位论文 式中r 表示电机转动圈数 则 所以电机最大加速度 d t 2 s = o 0 2 x d 2 r - d t 2d t 2 虿d 2 r = 2 5 0 r s 2 = 2 5 0 r p s | s r 3 - 1 6 r 3 - 1 7 1 在实际开箱实验中电机在加速度小于2 5 0 r p s s 时，可以正常工作。其动作不 会产生错误，因此该加减速规划符合要求。 图3 - 1 4 纵向进给系统p r o e 机构仿真 图3 1 5 软袋一体机各个部件相对位置圈 第三章机械系统设计 3 3 2 机架设计 完成各个子部件的设计后进行机架设计，设计时考虑控制柜的位置及个子部件 圈3 - 1 6 机架放置正视位置图 图3 - 1 7 机架放置俯视位置图 图3 - l8 一体机机架三维造型 的相对位置。设计步骤为：按要