自动化煤气罐码垛工作站仿真设计

摘要着眼当前时代,由于中国科技、经济的持续发展,以及随着供给侧结构性改革不断推进,对产品的需求也愈来愈高,造成企业公司内部存在着劳动力供应紧张、生产成本增加的现状。为在高效率的同时,提高生产的品质,从而达到全机器智能化制造,工业生产机器人被广泛应用了开来。尽管工业生产机器人一直是上个世纪的重要技术发明成果,过去也有六十几年,但随着电子技术的提升以及智慧制造业的应用普及,制造业机器人已经成为企业提升、生产力、市场竞争力、以及促进产业提升的主要方法,因此更多制造企业进行了升级转型,并开始大量投资于制造业机器人。企业生产规模的不断扩大以及智能化程度的日益提升,工业机器人在各行各业都有了日益深入的运用。本文是基于ABB工业机器人码垛搬运工作站为研究背景，并同时对煤气罐码垛自动化流水线的工艺流程进行分析；考虑到减小对煤气罐产品的损坏，设计建模了真空吸盘式末端执行器，对真空吸盘的数量、大小和直径进行了计算选型；为了保证产品能够平稳输送到抓取点，设计建模了皮带式输送机，同时也设计了挡管让产品准确到达输送带末端；并且对其他外围设备（机器人控制柜、真空泵、机器人底座、托盘底座、搬运叉车、围栏、光电传感器）进行了选型和建模。最后，在RobotStudio软件里导入SolidWorks建好的模型，选用ABB公司生产的IRB4400工业机器人，建立了虚拟工作站，并通过设计输送带和末端执行器的Smart组件，搭建机器人I/O输入输出信号，编写码垛程序，实现设计要求的码垛工艺任务。本文基于ABB工业机器人码垛搬运工作站的研究，符合现今各大工厂企业的码垛任务要求，能够满足大部分产品的码垛搬运工艺。关键词：码垛机器人、真空吸盘、RobotStudio、Smart组件第1章绪论自从二十世纪六十年代开始，随着科学家们的不断探索，机器人技术也在不断地发展，而工业机器人的应用也越来越广泛。《麦卡诺》杂志报道了一种由电机和机械结构构成的移动机器人，它能运送特定重量的物品。1950年代，Unimation开发了世界上第一个被称为Unimat的可编程数字工业机器人，其液压驱动方式实现了0.000-254厘米的精确定位，并应用于日本GKN、川崎公司。随着科学技术的进步，工业机器人的用途也越来越广泛，例如1969年开发的斯坦福机械手，它能够灵活地调节机械手的运动轨迹。1973年，瑞典Mag-nusson公司大量购买了世界上第一台带有微处理器的IRB6工业机器人，并被用来对衬管弯头进行研磨和抛光。此后，工业机器人的应用范围扩大到汽车、冶金、金属建筑等，取代了手工操作。我国在上个世纪七十年代就开始了工业机器人的研究，由于技术和经验的制约，在早期的自主探索中没有取得明显的效果。80年代以来，国家在国家政策的支持下，大力发展工业机器人，实施了“863”、“九·五”等科技攻关项目，并在技术上取得了重大突破。到现在，我们已经形成了一条完整的产业链，我国许多城市有了自己的工业区。1.1课题研究背景及意义随着工业技术的进步，工业生产的效率和质量得到了极大的改善，对其功能和性能的要求也越来越高，随着工业机器人技术的不断发展，工业机器人的高精度、智能化、自动化成为其发展方向[1]。随着物流自动化的发展，企业需要更高的物流效率和更高的物流成本，再加上中国人口老龄化的临近，工人的工资也越来越高，企业用工的成本越来越高。搬运码垛机器人是一种在工业生产中用于搬运、码垛等作业的工业机器人。在搬运机器人的作用是取代手工搬运物料和制品，在流水线上建立起一条高效率的流水线，它能在狭窄、复杂的环境下工作，快速搬运，高精度拾取[2]。比如ABB开发的IRB7600六轴机器人最大承载能力为650公斤，可进行大型零件吊装、车体旋转等工作；日本川崎重工业公司开发的MX700N六轴机械手采用纵向多关节式设计，最多可承载700公斤的负重，一次可承载大量的工件，而且其下半部分的旋转半径和作用范围很小，可以在狭小的空间内进行搬运。目前国内的搬运码垛机器人大部分都是国外的，自主品牌的数量很少，因此国产搬运码垛机器人的开发意义很大，而国内的搬运码垛机器人将会更便宜，技术也更适合国内。该机器人对降低劳动强度、人类、环境、提高生产效率具有重要意义[12]。因此，机器人在改善人们的生活品质中扮演着举足轻重的角色，对其进行研究与分析具有现实意义和应用前景。1.2国外研究现状与特点国外的机器人公司为了适应新的机械结构和高负载、高速度、高精度的要求，开发了一系列的码垛机器人。四大公司是工业机器人四大家族的代表，他们的产品在各个领域都有广泛的应用。瑞士等国的饮料企业、酒类、食品企业，利用数个搬运机器人，将不同的材料准确地抓住，完成搬运、码垛、堆垛等工作。该系统可实现多条生产线的并行操作。该类机器人占用空间大、结构紧凑、工作空间小[3]。近年来，国外的搬运码垛机器人技术和应用的特点有：(1)机器人本体的更新速度较快，且结构新颖。(2)具有优良的控制系统。(3)实现多个领域的应用，使制造业在物流方面朝着自动化方向发展。1.3国内研究现状与特点我国在60年代初就开始了工业机器人的研发与应用，但由于受到当时的经济、制度等诸多限制，其发展速度相对较慢，研究与应用程度相对较低。在国家政策和科研人员的大力推动下，我国工业机器人技术在理论和实践上都有了重大突破，而移动码垛机器人技术也受到了科研工作者的重视，并迅速发展起来。我国在堆垛机上的技术研发及应用具有以下几个特点：(1)在机器人的设计、传动、软硬件等方面，国内的科研工作者已经深入地研究了机器人的核心技术。(2)开发了基本的零部件，如：伺服传动、摆线针轮减速器、谐波减速器、高精度减速器。(3)在国内物流、饮料、化工、食品、工程机械等行业中，运输机器人的应用[4]。1.4主要研究内容·本文根据ABB工业机器人码垛搬运机器人工作站为背景，通过对实际煤气罐生产线的研究和分析，从而设计出双线煤气罐码垛机器人工作站的工艺流程。主要研究任务包括：（1）研究分析工作站的工艺流程根据实践情况，设计煤气罐大小为500mm*300mm*200mm（长*宽*高），重量为10kg。（2）设计末端执行器为了保证煤气罐不被损坏和工作站环境保持干净整洁，末端执行器选用真空吸取式结构，设计出可以稳定吸取煤气罐的真空吸盘组。（3）真空吸盘的选型根据煤气罐质量、大小，计算出所需吸附力，选择合适的动力源，选择真空吸盘的外形[5]。（4）设计输送机采用皮带式输送机，根据煤气罐的大小、机器人底座和工作范围，计算设计输送机的高度、大小；根据工作站的工艺要求，选择适用的电机和传动组件。（5）外围设备的选型主要对机器人控制柜、空气压缩机、光电传感器进行选型。（6）建立模型利用SolidWorks软件，对真空吸盘末端执行器、输送机、机器人控制柜、空气压缩机、机器人底座、托盘底座、搬运叉车、围栏、光电传感器建立三维模型。（7）动态仿真利用RobotStudio进行模拟仿真，根据工艺要求选用IRB4400机器人，导入三维模型，建立布局虚拟工作站，创建smart组件，设置I/O信号，工作站逻辑的设定，程序的编写与调试。图1.1步骤流程图第2章工艺流程分析与方案设计基于专利技术的堆叠机器人，其安装空间灵活紧凑，可在小型场地上实现高效、节能的全自动砖块机生产线。码垛机器人，是由机器和电脑编程相结合而成的一种产品。对企业而言，降低成本是一个永恒的主题，而堆叠机器人为现代生产带来了更高的生产力，在堆垛业中得到了广泛的应用，不仅节约了人力和空间，而且操作灵活、精准、快速、高稳定性，大大提升了工作的效率。本文采用人工上料--流水线送料--机器人码垛—叉车搬运的流程，节省劳动力、提高效率，降低成本。制造工艺：（1）将制品由人工放置于进料台上，由生产线将制品送至堆码位置（2）机器人末端执行器将已就位的物料吸起；（3）机器人完成堆叠后，由叉车拖出；（4）将机器人末端执行器重置至初始位置，主要循环取出下一件制品。2.1方案设计2.1.1主要技术参数（1）输送物：成品煤气罐（500mm*300mm*200mm；10kg）（2）输送速度：0.5m/s/1m/s（3）运输宽度：300mm（4）输送长度：根据实际布局情况而定（5）驱动方式：伺服电机驱动（6）传感器：光电传感器（7）机器人：ABBIRB4400（8）控制方式：手动/联机自动（9）末端执行器：真空吸盘式（吸盘：10个，左右两边圆形五点分布）（10）机器人码垛工作效率：3.6s/箱（11）负载：60kg（12）托盘：1000mm*800mm*80mm（13）托盘底座：1010mm*800mm*50mm2.1.2码垛机器人工作站的组成码垛机器人工作站的组成：成品煤气罐（500mm*300mm*200mm）、机器人本体（ABBIRB4400）、机器人底座、末端执行器（真空吸盘式）、皮带式输送机（机器人本体前方左右两台，运输效率各不相同）、光电传感器、托盘（机器人左右两侧放置）、托盘底座、搬运叉车（两部叉车等待在托盘出入口）、机器人控制柜（IRC5）、真空泵、适应电源：50Hz/380V、三相五线制、安全围栏。表2.1工作站组成数据 名称数量机器人本体（ABBIRB4400）1机器人底座1末端执行器（真空吸盘式）1皮带式输送机2成品纸箱（500mm*300mm*200mm）~托盘2托盘底座2搬运叉车2机器人控制柜（IRC5）1真空泵1光电传感器2安全围栏~适应电源50Hz/380V、三相五线制12.1.3煤气罐码垛工作站的工艺流程（1）煤气罐码垛工作站的输送流程：主要是由皮带输送机、光电传感器、成品煤气罐组成。首先，生产线打包包装好的成品煤气罐通过输送机输送进入工作站，然后煤气罐沿着输送机两侧的挡管向前运送（两侧间距为310mm）；当煤气罐被送到输送机末端时，利用挡板把煤气罐停止在输送机的末端，然后通过安装在输送机末端的光电传感器检测煤气罐是否到达，煤气罐达到末端立即停止输送机输送任务；（2）煤气罐码垛工作站的码垛流程：主要是由机器人及其真空吸盘末端执行器、托盘组成。首先，当输送机启动时，机器人真空吸盘末端执行器快速移动到输送机末端吸取点上方500mm，若是光电传感器检测到煤气罐已达到输送机末端，机器人末端执行器下降至煤气罐吸取点，等待0.5s，然后吸取煤气罐，吸取煤气罐上移至输送机末端上方点500mm然后再移动至托盘放置点上方500mm，随后下降至放置点；之后循环上述操作，依次放好煤气罐。（完成单边码垛任务后，检测另一侧输送机成品煤气罐是否到位，如果已经达到末端，重复上述码垛流程，完成码垛任务。）（3）煤气罐码垛工作站的搬运流程：主要是由叉车完成搬运工作，分别分布在托盘两侧等待搬运工作。等待机器人完成5层的码垛任务之后，叉车立即执行码垛搬运任务，两侧叉车交替运作。按照上述步骤将生产线输送过来的煤气罐进行码垛搬运，根据煤气罐的大小，计划一层放置5个煤气罐，叠放五层。左侧的运输链条运送过来的煤气罐被堆放在左侧的托盘上，而右侧的运输链条运送过来的煤气罐则堆放在右侧的托盘上。首先，机器人将左侧的煤气罐吸入，然后循环的将25个煤气罐放入对应侧的托盘，当左侧的工作完成后，机器人会将右侧的煤气罐吸起，循环进行左侧的工作。当机器人进行右侧堆叠工作时，左侧的叉车开始搬运已经完成的箱子（右侧堆叠工作完成后，再进行同样的工作）。（4）码垛机器人工作站的总体分布：根据工作任务要求，工作站布局建立如图2.2所示。图2.2工作站布局模拟图图2.3码垛工作站实图2.1.4整体控制概念设计码垛是一种需要耗费大量劳动力的生产工艺，而码垛机器人的出现可以很好地解决这一问题。在实际应用中，其控制系统对其工作性能有很大的影响。接着，本文简单地阐述了码垛机器人的控制系统。其控制系统应该满足以下几个要求：（1）机器人可以灵活的进行协同、控制，实现稳定、高效的工作;（2）用图解表示控制参数，使之达到路径控制;（3）动态响应性好，实时性强；（4）是稳定性、可靠性、安全性高;（5）是人机界面设计良好，方便各项操作;（6）硬件体系结构是紧凑的，可扩充的。图2.4整体控制2.1.5码垛垛型设计（1）煤气罐的设计瓦楞纸板是由模切、压痕、钉箱或橡胶箱等工艺制成的，瓦楞纸板是目前应用最广泛的一种，它的使用率在所有包装制品中位居首位[7][13]。含有钙波纹的煤气罐。经过近半个多世纪的发展，瓦楞纸板以其优良的使用性能和优良的机械性能，逐渐替代了传统的木箱，逐渐成为我国的交通工具[7]。它除了保护商品、便于储存和运送以外，还有美化商品和宣传商品的作用。瓦楞纸板具有环保、环保、环保、易装卸等特点。根据对现存市场上的瓦楞包装煤气罐大小的研究，以及考虑到产品的大小和质量，采用适用于包装大件商品的煤气罐，设计其尺寸大小为500mm*300mm*200，能够承载重量为10kg的产品。（2）垛型的设计为了能够更好的实现机器人对煤气罐的放置，每一层的各个煤气罐之间都留有间隙，防止放置煤气罐时碰撞到已码好的煤气罐，一共堆叠5层。一层5个煤气罐，分成两列，第一列3个煤气罐横着放置，每2个煤气罐之间间隙为55mm；另一列2个煤气罐竖着放置，每个煤气罐之间间隙为10mm。同样为了能够更平稳地叠放和移动煤气罐，采用了奇数层和偶数层不一样的堆叠方式，与奇数层刚好相反，偶数层的堆叠是第一列为2个煤气罐，另一列为3个煤气罐，但间隙大小与奇数层相同。采用这种方式叠放，可以充分利用相邻层数煤气罐的重量，压住下层煤气罐，达到相互保持平稳的状态，大大减小移动时产生的晃动。这样码垛的总大小为：底面大小是1010mm*805mm；高度一层为200mm，5层总高度是1000mm。图2.5奇数层摆放图图2.6偶数层摆放图2.2本章小结本章主要介绍了码垛机器人工作站的需求分析与方案的设计，具体完成工作如下：（1）对一般机器人码垛流程和生产流程进行了简要介绍；（2）对本文码垛工作站的组成和主要技术参数进行了简要介绍；（3）通过分析研究，设计出本文码垛机器人工作站的具体工艺流程和布局；（4）针对各部分方案的设计以及系统的组成和工作流程，完成了对系统总体的设计方案；（5）最后，根据方案的要求对煤气罐的大小和垛型进行了设计，并且分析了机器人本体对安装环境的要求，为编写机器人程序做好了前提工作。第3章码垛机器人本体的选型机器人本体是码垛机器人工作站的主体，是搬运码垛的直接工具。对机器人的选择要从经济成本方面和技术效率两个方面考虑，要选择既能满足码垛任务要求，又符合经济成本的要求。3.1码垛机器人特点：（1）它具有结构简单、零件少、故障率低、工作稳定、维护方便、零件数目减少等优点[6]。（2）占用较小的空间。便于客户工厂内的流水线布局，为仓库预留了更大的空间。码垛机器人可以放置在狭小的空间内，并能高效地工作[6]。（3）适应能力强。根据产品尺寸、体积、形状和外形，只要稍微修改程序，就可以确保客户的正常生产[6]。（4）能耗更低。普通的机器人功率在26KW左右，码垛机器人在5KW左右。大大降低了使用者的操作成本[6]。（5）所有的控制都可以在控制台的显示屏上进行，操作起来十分方便[6]。（6）仅需要对抓点、摆点进行定位，说明方法易于理解。3.2码垛机器人选型要求：（1）负荷：负荷是机器人在作业过程中所能承载的最大负荷。若要把一个部件从一个地方搬运到另一个地方，就必须把部件的重量和机械手的重量都计入到负荷之内。（2）自由度（轴数）：机械臂的运动轴的数目决定了机械臂的自由。若仅做一些简单的应用，4轴机器人就可以了。若机器人必须在狭窄的空间里工作，并且必须扭转和扭转手臂，那么6、7轴的机器人就是首选。轴数的选取往往依赖于特定的用途。（3）最大运动距离：最大垂直运动是指机器人的手腕可以到达的最低点（通常在它的底部）到最高点。最大侧向运动幅度是机器人手臂的最大侧向接触距离，并参考最大运动范围（单位为度）。（4）厂房内的环境，有无可燃、爆炸性气体、粉尘和湿度、设备的安装空间大小。3.3选择机器人本体根据上述特点以及选型要求，同时考虑到工作站的生产要求和负载要求，为了达到生产线的效率和稳定性。当然，经济成本也在考虑的范围内。本着经济实用的原则，本文选择的是由ABB公司生产的IRB4400工业机器人。具体参数如下：表3.1机器人参数表轴数负载工作区域精度本体重量安装方式防护级别660kg1960mm0.05mm1040kg落地标配IP54IRB4400是一个结构紧凑的机器人，它可以承载60公斤的负载。除了这些，还有万能IRB4400适用于各种高精度、高速度、高灵活性的场合。（1）机身紧凑、动作敏捷的通用工业机器人IRB4400拥有很强的平衡性和TrueMove。TM的专利技术使其在全工况下能够稳定、迅速地移动，保证了在切割等方面的高品质的生产。IRB4400具有高的机动性，能够很好地满足对速度和灵活性的需求。（2）可靠性与经济性兼顾IRB4400具有坚固的结构和较长的定期维修周期，以保证其操作的经济性。IRB4400驱动系统经过优化，既能在功率消耗与扭矩之间兼顾，又能达到较好的平衡。（3）多种通信方式为设备集成铺平道路。IRB4400机器人具有串口、网络接口、PLC、远程I/O、现场总线等多种通讯手段，可以很容易地与小型生产车间、大型企业的自动控制系统进行整合。（4）优点·速度快–操作周期时间短·精度高–零件生产质量稳定·通用型–柔性化集成和生产·恶劣生产环境下达到IP67防护等级图3.1机器人工作范围3.4码垛机器人工作节拍及参数预设码垛机器人的工作时间和工作时间有着密切的关系，一般情况下，人们更多的关注码垛机器人一个小时能够抓取多少包/箱。事实上，用这种方式来形容工作节拍是错误的，因为它并不能真正的反映出码垛机器人的工作能力和工作效率。本论文所述的码垛机器人是根据码垛与流水线的位置而布置的，其中码垛机器人位于中心，装卸点位于码垛机器人的前面，货盘位于其左侧右侧。由此可以看出，最大作业间隙应该大于2.2米。其中，码垛机器人的平均旋转角以70度为单位，如果不考虑换板时间，则其工作效率为每小时1000箱，即每箱3.6秒。码垛机器人主要由底座、腰部转座、大臂、小臂、前臂、基座、末端执行机构等构成[14]。其中，腰部转座，大臂，前臂，末端执行器是运动的主体[8]。在进料前，末端执行器将从目前的位置移动到夹具等候点，并开启夹具。一般情况下，在进料点上方500毫米处设有一个吸取等候点。进料时，码垛机器人会将末端执行机构传送到煤气罐的吸取点，将煤气罐吸入，快速提升到某一高度，再将托盘置于等候点（一般在放置点正上方某一段距离）。再降低到放置位置，将煤气罐放入。将煤气罐放在适当的位置后，将其提升到一定的高度，然后再次移动到等候点，等待下一次吸取信号。在整个工作过程中，由不同的机械装置协同工作，使整个工作得以完成。码垛机器人的机构与部件传动时间分配如下[14]：（1）负载工作总时间:2.3s1.末端执行器从等待点至抓取煤气罐时间:0.4s2.煤气罐抬升动作时间:0.3s3.码垛机器人回转至托盘上方时间:1.3s4.到达放置点并打开抓手时间:0.3s（2）空载返回总时间:1.3s1.末端执行器抬升动作时间:0.2s2.机器人回转至抓取等待点时间:1.10s[14]3.5本章小结本章主要介绍了对机器人本体的选型情况，主要叙述了如下几个方面：（1）分析了码垛机器人本体的选型要求和特点；（2）详细介绍了IRB4400机器人具体参数、工作范围、特点、优点；（3）对码垛机器人的工作节拍及参数进行预设。第4章工作站的机械部分4.1码垛机器人末端执行器的设计工业机器人的末端执行器，指的是抓取工具，它主要是安装在法兰盘上，可以直接抓住工件，完成工作。机器人的手，可以和人的手一样，也可以是无指的手，就像一套真空的吸盘，安装在法兰盘上；它可以是人类的爪子，也可以是专门的工作工具，比如喷漆枪、焊接工具，根据用途的不同，机器人的末端执行机构也会有很大的差别。工业机器人可以在圆盘、长轴、不规则、金属板等多种工件的搬运、码垛、自动上料、下料、翻转、工件翻转等作业[9]。它看似微不足道，实则意义重大，是与环境交互的最终环节，也是实现机器人灵活、易用的关键因素。4.1.1末端执行器的分类末端执行器是指与抓取物体直接接触的部位，就像是人类的手掌一样，起到了抓取、移动、堆叠的作用，起到了很大的作用。由于在生产过程中，机器人捕捉的物品的尺寸和种类也不尽相同，可以说是种类繁多，包括箱形、板形、袋形、筒状等。因此，在生产线上，为了适应不同的抓取环境，码垛机器人的末端执行器必须能够适应各种类型的产品。因为机器人能够完成的任务范围很大，所以很难将其标准化，所以在实践中，通常会针对具体的任务量身定做，常见的有如下几种类型：（1）钳夹式末端执行器夹钳式末端执行机构，又称夹钳式取料器，是一种在工业机器人中使用较多的末端执行机构，在组装生产线上得到了广泛的应用。其工作原理与普通手钳相似，主要包括手指（手爪）驱动、传动、连接和支承等。采用夹钳型末端执行器，能够利用爪子的开闭运动来完成对目标的抓取。图4.1钳夹式末端执行器（2）吸附式末端执行器吸附式末端执行器是依靠吸附力来产生物料，适合于大平面、易碎（玻璃、磁盘）等微小物件，因而用途广泛，按吸附力的不同，可以将其分成两类：气吸附式和磁吸附式[9]。（1）气吸附式：气吸附式末端执行器是利用轻性塑胶或塑料制成的皮碗，通过抽空与物体接触平面密封型腔的空气而产生的负压真空吸力，来抓取和搬运物体。根据真空产生的原理,可分为三种：1.真空吸盘采用真空泵，可使吸嘴保持连续的负压。吸盘的吸力与吸盘与工件表面的接触面积、吸盘内、外压力的差值有关，而且与工件的表面状况也有很大的关系，从而影响到负压的泄露[9]。2.气流负压吸盘在贝努利效应的影响下，压缩气体在橡皮圆筒内产生了负压。工厂中一般都有空压机或空压机，这种空压机的空压机很容易找到，而且不需要特别的机械臂上安装真空泵，因此在工厂中使用非常方便。3.挤气负压吸盘该挤压负压吸盘无需抽真空泵或空气源，使用更加经济、便捷，但其可靠性不如真空吸嘴、气流负压吸盘。如图4.2所示图4.2挤气负压吸盘（2）磁吸附式：磁吸附式末端执行器是利用磁铁或电磁铁，通电后产生的磁力来吸附工件的，其应用比较广泛，不会破坏被吸件表面。综上对比，本文码垛砖机器人工作站的吸附物是煤气罐，煤气罐重量不是很大，又非金属材料，利用气吸附式可以很好地实现对煤气罐的码垛任务，且不损伤其表面。考虑到真空吸盘的真空压力要通过真空泵和其配套的真空系统来实现，其经济成本过高，而气流负压吸盘的真空压力可以由空气压缩机通过真空发生器提供。因此，本文选择气流负压吸盘作为末端执行器。4.1.2吸附式末端执行器的设计方案吸盘的工作原理：首先，将吸盘与抽气装置（如抽气泵等）连接，并与吸附物接触，并通过抽气装置把吸盘内部的空气吸走，在吸盘内部形成小于大气的压力，将被提升物固定，并进行搬运。在被吸附物放置到目标地后，将空气充进真空吸盘内，使其恢复大气压，将与吸附物分离，完成了搬运码垛工作[9]。图4.3真空吸盘工作原理图本文码垛机器人的末端执行器主要由架体、气流负压吸盘、真空发生器等组成，架体采用刚性连接，上方圆形孔可与机器人法兰盘接口相接[9]。吸盘架设计成翅膀型，能够减轻末端执行器的自身重量。吸盘数量初步定为10个，左右侧各5个，呈圆形阵列布局，以在煤气罐表面形成均衡的吸附力。真空吸盘材料选型真空吸盘一般是用橡胶和金属框架来构成的。真空吸盘主要是由橡胶材料制成，在工作时不会产生光、热、电磁等现象，因此对周围的环境没有任何影响[19]。常见的吸盘材料有四种：（1）丁晴橡胶（NBR）该材料的吸盘具有优良的韧性，在120℃的使用温度，具有良好的耐磨、抗老化、抗油、抗酸碱、防水等性能，是最常用的真空吸盘材料。（2）聚氨酯橡胶（U）韧性好，使用温度60℃，耐磨、抗老化、耐油、耐酸碱、耐水。上述两种产品适用于硬壳纸，胶合板等一般的产品。真空杯是用氨基甲酸乙酯做的，非常耐用。（3）氟橡胶（FKM）它的韧性比其他两种要弱一些，但可以在250℃以上使用，除了耐碱性能较差之外，其他性能都很好，可以用来运输药物。（4）硅橡胶（S）具有良好的韧性，使用温度为200℃，耐磨、抗老化、抗油性、耐酸碱、耐水性。适用于半导体元件，薄工件，金属成型制品，食品。硅橡胶真空吸嘴非常适合于表面粗糙的产品。吸盘在选型时，需考虑吸盘所吸取物体的材料、表面质量、工作环境、吸盘与被吸物体的接触形式、摩擦因数及被吸物体的质量等一系列因素[9]。综上对比，煤气罐码垛工作环境温度不高，湿度较低，考虑到经济成本方面，本文选择的是丁晴橡胶，它耐磨性好，韧性好，适合煤气罐码垛的长期运作。真空吸盘的选型计算吸盘的种类有很多种，最常用的有椭圆吸盘、波纹吸盘、扁平吸盘等等。（1）椭圆吸盘最大限度地利用了可吸收的表面，适合于长的凸形零件。是一种具有较高硬度的吸盘，具有较大的吸力，如平板和波形的吸盘，多种材质，内嵌结构具有高的抓握力。椭圆形吸盘适用范围：用于输送细长且具有较小抓取力的工件：例如管子、几何制品、木材条、窗框、纸盒、铝箔/热塑性包装制品。（2）波纹吸盘1.5折、2.5、3.5折，具有很好的适应不平坦的表面，在抓取时起到了提高作用，不同高度的补偿，对易磨损的工件进行了轻巧的抓取。软质底波纹吸盘，高硬度，高弹性，适用性好，下端支持，吸杯材质多样。波纹吸盘的典型用途：用于运输圆盘状不平的工件，例如：汽车金属片、纸盒、塑料制品、铝箔/热塑包装制品、电子部件。（3）扁平吸盘高精度的定位、小巧的设计、较小的内部体积，可以减少抓持时间，达到较高的横向作用力，在平坦的工件表面上，宽的密封唇具有最优的密封性能，并能很好地抓住工件，同时，采用大口径的埋入式结构，可以达到较高的吸附力。因为，本文的吸盘是吸取煤气罐进行搬运码垛的，所以在搬运码垛的过程需要不断地变换方向。因此，选择适合搬运煤气罐的波纹型吸盘。真空吸盘能否平稳地吸住煤气罐的关键在与真空吸盘的真空压力和吸盘的直径大小，要根据被吸取煤气罐的质量来确定真空吸盘的吸附力，为了满足工作时的要求，还有保留一定的余量。通过计算确定的数值，通常只能是理论值，还要根据工作状态和工作环境来选择真空吸盘的型号和尺寸。在本文中煤气罐的大小为500mm*300mm*200mm，其质量大小为10kg，考虑到煤气罐搬运码垛过程存在快速移动和回转，这些运动会产生一定的加速度和惯性力，应当给与一定的余量。结合回转移动时产生的加速度、离心力、切向力等，选取真空吸盘的直径为40mm。经过分析与计算，最后选择型号为J-WET41-d40的真空吸盘，该吸盘是精密型波纹型真空吸盘，弹簧式侧面真空端口，安装方式带弹簧螺帽固定式吸盘材质为丁晴橡胶NBR。图4.4真空吸盘4.1.3真空吸盘末端执行器的SolidWorks建模IRB4400机器人最大承受能力为60kg，为了保证机器人能够长时间长期运作，安装在机器人法兰盘上的末端执行器要尽量轻便，减少对机器人的损耗。因此，选用了型号A6063的铝合金型材，外形尺寸为556mm*250mm*166mm。该型材的机械性能略低于一般碳素钢材，但其品质不及齐通碳钢异型材的二分之一，且初性好，强度大，外表光滑美观，使用寿命长；在工艺上，这种材料无需焊接，机械零件少，装配简便，节省时间，缩短生产周期[10][11]。图4.5真空吸盘末端执行器三维图图中，①：波纹型真空吸盘，②送气管，③真空发生器，④真空吸盘架体，⑤法兰盘连接架体。4.2输送机的设计输送机在码垛机器人工作站中，同样担任着很重要的角色，负责把在生产线前端工人包装好的煤气罐运送进入码垛工作站，是为码垛任务提供物料源的装置。4.2.1输送机的分类一般来说输送机的类别主要有以下几个部分：（1）皮带输送机的构造：采用摩擦驱动的原理，通过驱动辊驱动传送带传送材料。其主要结构包括：主要由固定板、平皮带、平皮带滑轮、平皮带惰轮、电机。大部分的传动形式都是由电机带动的[10][11]。（2）链式输送机：包括平板输送机，鳞板输送机，盘式输送机，斗式输送机，等等[10][11]。（3）辊式输送机:辊式输送机是应用滚柱原理最简单的输送机。把辊子排列安装在框架上就构成辊式输送机[10][11]。结合本文煤气罐和结构特点，选择采用皮带式输送机，皮带表面和煤气罐能够产生较大的摩擦阻力，这样可以更加平稳地输送煤气罐到吸取点。4.2.2皮带式输送机的设计方案输送流程：采用PLC进行控制，当包装好的煤气罐通过生产线输送进入工作站，达到工作站输送机上，利用两侧的定位挡管，把煤气罐的位置摆正，并且顺利地运送到输送机的末端，即机器人的吸取点位置。当煤气罐达到末端时，安装在末端的光电传感器，立即检测信号，同时自动停止输送机工作，暂停煤气罐的运送，进入待码垛状态，待处在末端的煤气罐被机器人完全抬起，光电传感器再次检测信号，启动输送机工作。输送机的外形尺寸大小为：长2700mm，宽440mm，高480mm，机架材质选择用Q235A，输送带颜色初步设定为绿色。输送机的组成：主要由支撑板、定位挡管③、挡板⑥、平皮带⑤、平皮带滑轮②、平皮带惰轮⑦、轴承、电机①、同步带轮和皮带组成，④为定位挡管的固定装置。图4.6皮带式输送机皮带式输送机的计算选型（1）设定输送机运输量根据上面对机器人的节拍设定，初步设定输送机的运输量为1t/h。（2）带宽一般情况下，传送带的传送容量会随传送带宽度的增大而增大，但是狭窄传送带的宽度与所传送物料的粒径有关。传送带的宽度一定要足够宽，以便输送的物体不被固定在传送带的边沿上，顺利完成输送。输送的煤气罐产品尺寸大小为500mm*300mm*200mm，本文中煤气罐是竖着运送的，结合煤气罐宽度为300mm，为了煤气罐能在输送机上正常输送，设计输送机宽度时预留有一定的空间，因此，输送机的宽度选择为326mm。（3）带速皮带式输送机的速度与输送机的大小、重量、成本、作业品质有关。提高皮带速度，在相同的输送能力下，带式输送机的带宽变小，而输送带的带材负荷减少，张力也相应减少，因此可以选用低强度、低成本的传送带。随着皮带速度的增大，传动机构的大小和质量也随之降低。增加频带速度和减少频带可以在某种程度上减少设备的费用。然而，由于皮带速度的提高，在运输时会产生粉尘飞扬、物料破碎、物料装载段、清扫段出对皮带的磨损增大。所以，选择传送带速度要考虑多种因素。选定带速需要考虑的因素：1.输送机输送的物料特性对磨损性小、颗粒小、不怕破碎的材料，如煤、谷物、砂等，其转速一般为2~4米/秒，对大块、大块矿石、焦炭等具有高磨损、大块、大块矿石、焦炭等，宜低速运行，一般为1.25~2米/秒；对于粉末状的物料，为防止粉尘的飞扬，一般采用低速输送，一般为1米/秒；对于成批的货物，也适用于低速运输，要求速度为1.25米/秒。2.皮带输送机的布置和卸料方式横向、长距离传送带适宜于高速传送；当安装有一定的角度时，皮带速度应较小。若使用卸车，皮带速度不宜太高，应控制在3.15米/秒以内；如果使用犁式卸料机，由于额外的阻力和磨损，皮带速度应该在2.5米/秒以内。3.输送能力与带宽输送能力与带速、带宽成正比，随着带材的宽度、厚度的增加，跑偏将减小，可以选择较高的带速[11]。结合上述内容，输送机的输送对象为煤气罐，是为成件的货物，因此，选择带速控制在1.25m/s。（4）输送带皮带作为输送带的一个关键部件，起着输送、搬运物料、传递牵引力的作用。主要分为以下几种：一、尼龙帆布输送带采用全棉帆布（CC）或维棉浸渍帆布，适用于各种物料，如一些成件体，具有良好的常温传输性能。根据不同的工作环境和需要，可以生产出包边型、开边型、中梯型、边梯型等多种结构。二、尼龙芯输送带尼龙传送带是以多层尼龙布为基材，以一定的方法将其粘结在一起，并用高强度、高弹性的耐磨性橡胶进行包覆。适用于高速度、中、长距离的高冲击运输。根据涂层的特性，可以将其划分为一般应用型、耐磨型、易燃型。三、聚脂输送带聚脂传送带是用好几层聚脂（或聚脂，纬向聚脂）帆布以特定的方法粘结而成，具有较高的强度和良好的弹性。适用于各种中小粉末颗粒等物料的输送。适用于高负荷、高速下的输送。综上对比，因为输送机是采用滚筒来传动的，会产生一定摩擦热，所以选择难燃型的尼龙芯输送带。（5）传动滚筒传动滚筒是带式输送机重要的组成部分之一，其主要尺寸包括宽度和直径，宽度大小与输送机宽度所匹配，直径大小则需要通过粗略计算得出。计算公式如下：式中，D为滚筒直径，C为计算系数，db为绳芯厚度，经过计算，选择滚筒直径大小为100mm。（6）运行阻力接下来我们需要选定合适的驱动电机，首先我们要计算输送机的运行阻力，计算运行阻力的方法有很多[17]，本文采用以下方式：图4.7运行阻力分析（7）牵引力的计算计算公式如下：式中，ωf为附加阻力系数，一般取ωf=1.1。（8）电动机的选型考虑到在实际的运输作业中，皮带输送机的传动系统需要符合下列功能要求：（1）在起动阶段，应尽量减少带式运输机对系统的冲击；（2）尽量确保传动机构能向整个系统提供充分的驱动力，确保在起动和刹车时，辊子和传送带不会发生打滑；（3）在传送距离远的情况下，要考虑多点传动，同时要解决多点传动引起的动力不均衡问题；（4）要求传送带的传动机构可以根据运输任务实时地控制输送速度，以实现节约能源。电动机功率计算，公式如下：经过上式的计算，要求电机的功率不能小于0.7kw，计算的电动机轴功率，还应考虑15%左右的剩余功率，最后选择用Y系列电动机。Y系列电机为全封闭式自扇冷鼠笼三相异步电机，广泛应用。其安装大小及功率等级均按IEC规范要求，机箱的保护级别为IP44，采用IC411的冷却方式，以及连续工作的方式（S1），适合于机械。经过查表分析，选择了型号为Y90S-2的电动机，电机参数如下：表4.1电机参数型号额定功率KW额定电流A转速r/min效率%额定转矩振动速度mm/s重量kgY90s-21.53.42840782.31.8224.3本章小结本章主要对两大主要机械部分进行了设计，一个是末端执行器，一个是输送机，主要研究内容如下：（1）对真空吸盘的材料和种类的选型；（2）分析和计算真空吸盘的直径大小并利用SolidWorks建立三维模型；（3）选择输送机的类型，并分析确定输送流程；（4）计算皮带式输送机的主要部分的具体参数和选型；（5）建立皮带式输送机的三维模型。第5章周围设备的选型和建模根据码垛机器人工作站的工艺流程和要求，对工作站的周围设备进行分析选型，再通过SolidWorks软件，对这些设备进行三维建模。主要包括：机器人控制柜、空气压缩机、托盘、机器人底座、托盘底座、搬运叉车、围栏、光电传感器。5.1机器人控制柜5.1.1工业机器人控制柜的组成工业机器人控制器通常由主电源、计算机电源、计算机控制模块（计算机主体）、输入输出板（I/O板）、用户连接端口、示教器连接接口、各轴计算机板、各轴伺服电机的驱动单元等。在工业机器人的控制柜中，一般采用的是一个控制模块，它主要由一个主计算机组成，它负责执行RAPID和信号的处理。一台控制系统可与1~4台传动系统相连接。该驱动组件包括一个电子装置的组件，该组件可以为机械手的电机提供动力，该系统最多可包括9个传动装置，每一个传动装置都能控制一个机械手的关节。图5.1工业机器人控制柜外部各接口表5.1工业机器人控制柜外部各接口名称序号接口按钮名称序号接口按钮名称A机器人动力电缆接口F复位与上电按钮B示教器电缆接口G机器人本体送刹车按钮C力控制选项信号电缆入口H编码器电缆连接口D运动模式转换开关I主电源控制开关E急停按钮J220V电源插口结合上述内容，本文IRB4400机器人选择采用ABB控制器IRC5来控制机器人系统。5.1.2控制柜的三维模型图通过三维软件，对IRC5控制器进行1:1的外形建模。如图5.2所示：图5.2控制器三维模型5.2空气压缩机空气压缩机作为真空吸盘末端执行器的真空源，在整个工作站中，也是属于重要的外围设备。在选用空压机时，应先确定真空吸盘的工作压力，还要考虑在输送气体工程中的损失，然后再选择空压机的压强，（这损耗量是将空压机安装位置至实际使用的管道距离的压差，并将压力损耗考虑在1至2pa之间）。管道的直径和弯头的数量对管道的压力损失有很大的影响，管道的直径越大，转弯点越少，管道的压力损失就越小；相反，压力损失会更大。5.2.1空气压缩机的选型空压机是一种对气体进行压缩的装置。空压机的结构类似于泵。目前常用的空压机都有其优点和不足之处：活塞式空气压缩机密封易损坏，运行中惯性力矩不均衡，运行可靠性低；螺旋空压机结构简单，振动小，噪音低，效率高，无易损件，耗电高；离心空压机集高科技、高可靠性、高质量的供气质量、高性价比于一身，它提供的是不含油的压缩空气，必须事先启动一台小型的空压机，它的起动过程十分繁琐[15]。本文真空吸盘的空气压缩机选择用固定式的旋转叶片空压机。其特点：机械性能稳定、体积小、重量轻、操作简便、便于携带、风力大。适用于喷漆、气动工具、矿山机械等需要压缩空气的地方。根据真空吸盘的真空压力等要求，同时能够平稳地移动煤气罐，选择了型号为GKJ-4p351的空气压缩机，主要参数如表5.3所示：表5.3空压机主要参数型号匹数功率电源排气量容积及尺寸排气压力GKJ-3p30l3.0p2.2kw220w50hz0.12m3/min30l(54cm*25cm)0.8mpaGKJ-4p35l4.0p2.2kw220w50hz0.12m3/min35l(60cm*26cm)0.8mpaGKJ-5p4015.0p2.2kw220w50hz0.13m3/min401(63cm*27cm)0.8mpa5.2.2空气压缩机的三维模型通过三维软件，对空气压缩机进行1:1的外形建模。如图5.3所示：图5.3空压机三维模型5.3光电传感器5.3.1光电传感器的选型光电传感器的选型特点：（1）感应距离的确定；光电传感器的探测距离较长；（2）选择工作方式：对射型，反射型，回归反射型；（3）当被测对象的感生截面与在稳态下的光点尺寸进行比较；（4）PNP/NPN的输出格式；在欧洲，主要是PNP，例如Siemens，亚洲主要是NPN，例如OMRON；（5）一种连接模式，一种导引式/插头式；插头的形式更加使用维修替换；（6）其它：工作场所（有无油污、无灰尘）根据上述选型特点，并且检测对象为煤气罐，本文选择易福门IFM企业型号为OGS280的光电传感器，其具体参数如表5.4：表5.4电气数据工作电压（V）24DC绝缘等级（V）500电流损耗（mA）<400AS-i电流消耗最大值[mA]10消耗功率最大值[VA]10AS-主机的数量2电气隔离有5.3.2光电传感器的建模传感器是系统接收信息的源头，选用合适的传感器能在一定程度上提高控制系统的特性和性能指标[20]。根据OGS280光电传感器，对照其外形进行1:1的三维建模，如图5.4所示：图5.4光电传感器三维模型5.4其他辅助装置的建模5.4.1叉车叉车在工作站中主要负责的任务是搬运，在码垛任务完成后，叉车进入工作站把托盘搬运到目的地。图5.5叉车三维模型5.4.2托盘托盘是煤气罐叠放的承重架件，其尺寸大小为：1000mm*800mm*80mm图5.6托盘三维模型5.4.3托盘底座托盘底座的作用在于固定托盘，避免机器人在进行码垛任务时，放置煤气罐导致托盘位置的变动。尺寸为：1010mm*800mm*50mm图5.7托盘底座三维模型5.4.4机器人底座机器人实际上可以不用底座就可以实现安装，但大部分机器人本体的安装都需要用上机器人底座，这是因为，安装底座可以让机器人获得更大的工作空间，保证机器人末端执行器能够以更完美的姿态达到目标点。图5.8机器人底座三维模型5.4.5围栏在一个完整的机器人工作站中，围栏是缺一不可的。这是因为，机器人在启动之后，运行速度很快，当无关人员或是物件进入工作站，极大可能会造成事故。因此，在工作站周围安装围栏的目的就是为了保证工人的安全和机器人不被损坏。图5.9围栏三维模型5.5本章小结本章主要对码垛机器人工作站的主要外围设备进行了选型，包括：机器人控制柜、空气压缩机、托盘、机器人底座、托盘底座、搬运叉车、围栏、光电传感器，同时完成了这些设备的三维建模。其中，机器人控制柜、空气压缩机、光电传感器进行了详细的选型和介绍参数。第6章码垛机器人工作站的仿真本文的仿真研究是在RobotStudio软件里完成的，导入建立好的三维模型并完成布局，建立好码垛机器人虚拟工作站。6.1工作站的布局本文创建的工作站是由2个输送链来运送煤气罐，其中左边的输送链运送的煤气罐码垛在左边托盘上，右边的码垛在右边托盘上。每个托盘堆叠5层，1层放置5个煤气罐，一共完成25个煤气罐的码垛任务，机器人则每个循环完成50个煤气罐码垛任务。根据这些任务要求，工作站的布局如图6.1所示：图6.1工作站的布局6.2Smart组件逻辑设计Smart组件逻辑设计是虚拟工作站仿真动态效果的呈现，即完成从煤气罐生成到输送机输送再到传感器检测后，由吸盘吸取。组件的逻辑设计关系到工作站关键动作部分虚拟仿真的正确性[18]，本文工作站的Smart组件设计主要包括：末端执行器组件、2个输送链组件。6.2.1末端执行器组件逻辑设计真空吸盘末端执行器在仿真里要完成的动作主要是吸取和释放，因此需要一个安装和拆除已安装对象的子对象组件；在进行吸取和释放动作时，需要检测真空吸盘是否已经接触到煤气罐，因此需要在末端执行器上安装一个线性传感器；最后还需要一个逻辑非门运算。图6.2真空吸盘组件子对象图6.3真空吸盘组件逻辑设计从组件的逻辑设计可以看出，当xi=1时，真空吸盘模型吸取的动作，当线传感器LineSensor（如图6.4所示）检测到煤气罐时，传感器被激活后sensedPart端输出1，并将信号传输给安装组件Attacher和拆除组件Detcher的Child端，（Child为安装对象和已安装对象），此时，安装组件将煤气罐和末端执行器模型绑定，实现吸取效果。当xi=0时，经过逻辑非门LogicGate[NOT]输出信号1，传输给拆除组件Detcher，实现煤气罐的释放动作。图6.4线传感器6.2.2输送机的逻辑设计2个输送机的Smart组件的设计相同，本文以其中1个为例进行说明，其组成如表6.1所示：表6.1输送机组件组成表Smart组件数量(个)说明SimulationEvents1仿真开始/停止时发出脉冲信号。产生信号后，输送机立即启动Timer1在指定距离间隔脉冲输出一个数据信号。可以控制相邻纸箱的间距Source1创建图形组件拷贝，实现纸箱不断生成Queue1分组操作，对复制的纸箱执行队列排序并使其具有共同的动方属性LinearMover1在一条直线上移动对象，实现纸箱在输送机上的移动PlaneSensor1检测纸箱是否已到达输送机末端，实现光电传感器的作用LogicGate[NOT]1对数字信号进行逻辑取反操作，以便符合逻辑条件时激活相应组件图6.5输送机组件逻辑设计定时器Timer设定为2s给定一个上升沿，将信号传输给拷贝组件Source的Execute端，复制对象为煤气罐，再将信号输入到队列Queue的Enqueue端，把复制的煤气罐放在一个队列中，通过直线移动组件LinearMove把队列Queue一起移动，在输送机的末端建立一个面传感器PlaneSensor，当煤气罐触碰到面传感器（如图6.6所示），SensorOut端输出信号1，并将信号输出给队列Queue的Dequeue端，把前面的煤气罐一处队列（防止到达吸取点的煤气罐还跟着队列移动），同时把信号输送给输出信号DW，作为机器人进行吸取任务的信号，再将信号通过逻辑非门与直线移动组件和定时器连接，在煤气罐与面传感器接触时，逻辑非门输出信号为0，停止定时器和直线移动组件的运行。图6.6输送机面传感器6.2.3工作站逻辑的设计工作站的逻辑的组成：2个输送机组件、末端执行器组件、工作站系统，连接如图6-7所示：图6.7工作站逻辑设计6.3仿真程序的编写仿真程序的编写主要运用了for循环和if语句，因为程序存在重复部分，所以本文中，主要介绍奇偶数层的程序内容。图6.8程序的定义内容图中，Target_10为左边输送机的吸取点，Target_20为左边托盘的第一个放置点，Target_30为左边托盘的第二个放置点，Target_40为右边输送机的吸取点，Target_50为右边托盘的第一个放置点，Target_60为右边托盘