謝佳娜 陳敏生

（揭陽(yáng)市匯寶昌電器有限公司，廣東 揭陽(yáng) 522000）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品自動(dòng)裝箱技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種自動(dòng)裝箱機(jī)的研發(fā)也越來(lái)越多[1]。裝箱機(jī)可將未包裝（或小包裝）產(chǎn)品半/全自動(dòng)裝入物流運(yùn)輸包裝箱，其基本工作原理是將產(chǎn)品收集、整理后，由裝箱機(jī)抓手按特定排列方式及定量裝入箱（瓦楞紙箱、塑料箱或托盤(pán)）中，并將其開(kāi)口部分閉合/封牢[2-4]。裝箱機(jī)應(yīng)具有紙箱成形（或打開(kāi)紙箱）、裝箱、計(jì)量、封口及捆扎功能。模塊化設(shè)計(jì)是裝箱機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[5]，即在分析不同性能和規(guī)格產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，在規(guī)定范圍內(nèi)劃分、設(shè)計(jì)一系列功能模塊；通過(guò)模塊的選擇和組合，構(gòu)成不同產(chǎn)品規(guī)格單元；并通過(guò)換用單元應(yīng)對(duì)產(chǎn)品裝箱規(guī)格的變化，以同時(shí)滿足不同產(chǎn)品的裝箱需要[6-8]。

微電機(jī)外殼具有生產(chǎn)批量大、產(chǎn)品尺寸規(guī)格多樣的特征[9]，本文在已開(kāi)發(fā)的微電機(jī)外殼自動(dòng)裝箱裝備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多模組裝箱功能，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格機(jī)殼在不同規(guī)格紙箱的自動(dòng)裝箱。

1 微電機(jī)外殼自動(dòng)裝箱機(jī)工作原理

針對(duì)微電機(jī)外殼裝箱要求，本文研發(fā)了微電機(jī)外殼自動(dòng)裝箱機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備主要包括2大功能區(qū)：第1功能區(qū)是由機(jī)殼排列機(jī)架、紅外線傳感器、機(jī)殼路徑調(diào)整裝置和機(jī)殼傳送帶組成的機(jī)殼運(yùn)送和排序機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同一規(guī)格的筒形機(jī)殼以矩陣形式整齊排列的功能；第2功能區(qū)是由機(jī)殼運(yùn)載機(jī)械手、紙箱隔板運(yùn)載機(jī)械手、紙箱和紙箱運(yùn)送軌道組成的機(jī)殼自動(dòng)裝箱機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將排列好的機(jī)殼裝入紙箱和多層堆疊的功能。紅外線傳感器在2大功能區(qū)之間起到信息傳遞作用，實(shí)現(xiàn)2大功能區(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)切換。該自動(dòng)裝箱機(jī)具有多模組自動(dòng)裝箱功能，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格微電機(jī)外殼的自動(dòng)裝箱，也可實(shí)現(xiàn)同一規(guī)格微電機(jī)外殼自動(dòng)裝入不同紙箱。

圖1 微電機(jī)外殼自動(dòng)裝箱機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)殼多模組裝箱方案

微電機(jī)外殼多模組自動(dòng)裝箱流程如圖2所示。機(jī)殼多模組裝箱方案是微電機(jī)外殼自動(dòng)裝箱機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)機(jī)殼產(chǎn)品材料特性及裝箱特點(diǎn)，本文選擇板式電磁吸具作為裝箱抓手，具有穩(wěn)定可靠、吸力強(qiáng)、剩磁小等特點(diǎn)。板式電磁吸具利用內(nèi)部線圈通電所產(chǎn)生的磁力，緊緊吸住接觸導(dǎo)磁面板表面的工件；當(dāng)線圈斷電則磁力消失并放下工件。

圖2 微電機(jī)外殼多模組自動(dòng)裝箱流程圖

根據(jù)機(jī)殼產(chǎn)品實(shí)際尺寸（直徑Φ= 15 mm ～ 50 mm，高度L= 20 mm ～ 65 mm），選擇相應(yīng)規(guī)格的裝夾模具和電磁吸具；再設(shè)置吸取機(jī)殼個(gè)數(shù)以及轉(zhuǎn)箱層數(shù)，便可確定最終裝箱方案。4種機(jī)殼的20種多模組裝箱方案如表1所示。

表1 4種機(jī)殼的20種多模組裝箱方案列表

為確定各模具的裝箱方案，根據(jù)四軸機(jī)械手系統(tǒng)建立三維坐標(biāo)系，表示各點(diǎn)位置。設(shè)(θ,r,h)為各點(diǎn)坐標(biāo)，β為機(jī)械手抓的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其中θ∈(?170°, 170°)，1#軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量，表示機(jī)械手朝向運(yùn)動(dòng)；r∈(?50 mm,1050 mm)，2#軸相對(duì)移動(dòng)量，表示機(jī)械手徑向運(yùn)動(dòng)；h∈(?50 mm, 550 mm)，3#軸相對(duì)移動(dòng)量，表示機(jī)械手高程直線運(yùn)動(dòng)；β∈(?170°, 170°)，4#軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量，表示機(jī)械手腕部軸向運(yùn)動(dòng)。

設(shè)LB、WB、HB分別為紙箱的長(zhǎng)、寬、高；Φ，L分別為機(jī)殼直徑和高度，則：

每箱層數(shù)k= ?HB÷L」；每層行數(shù)/排（X軸）i=?WB÷Φ」；列數(shù)（每排個(gè)數(shù)，Y軸）j= ?LB÷Φ」。其中，符號(hào)?X」表示對(duì)X值向下取整。

以微電機(jī)機(jī)殼Φ= 36 mm，L= 50 mm為例，紙箱尺寸為L(zhǎng)B= 478 mm，WB= 376 mm，HB= 335 mm，則

紙箱擺放最多層數(shù)I= ?HB÷L」 = ?335 ÷ 50」 = 6；

每層擺放最多行數(shù)K= ?WB÷Φ」 = ?376 ÷ 36」 = 10；

每層擺放最多列數(shù)J= ?LB÷Φ」 = ?478 ÷ 36」 = 13。

故可確定紙箱擺放方式為6層，每層10行、13列。

相鄰兩列間距dL=(LB-J×Φ)÷(J? 1)= (478?13×36)÷12 =0.8 (mm)；

相鄰兩行間距（隔紙厚度）dC= (WB?K×Φ) ÷(K?1) = (376?10×36)÷9 = 1.8 (mm)。

3 機(jī)殼精確定位及中心坐標(biāo)算法

3.1 機(jī)殼中心坐標(biāo)算法模型

根據(jù)模組計(jì)算出機(jī)殼擺放方式后，可根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系求出各機(jī)殼中心在紙箱內(nèi)相對(duì)位置，其中紙箱左下角一點(diǎn)OB(θB,rB,hB)已知。第X個(gè)機(jī)殼的中心坐標(biāo)設(shè)為OX(θX,rX,hX)，其中X=K J(i? 1) +J(j? 1) +k，i表示第i層；j表示第j列；k表示第k行。因此OX(θX,rX,hX)可表示為O(i,j,k)= (θ(i,j,k),r(i,j,k),h(i,j,k))。機(jī)械手轉(zhuǎn)角為β(i,j,k)，依據(jù)機(jī)殼在紙箱內(nèi)擺放方式可得h(i+1,j,k)=h(i,j,k) ?L，θ(i+1,j,k) =θ(i,j,k)，r(i+1,j,k) =r(i,j,k)。對(duì)同層中任意兩機(jī)殼的中心坐標(biāo)，有h(i,j1,k1)=h(i,j2,k2)。

在機(jī)械坐標(biāo)系內(nèi)，機(jī)殼中心平面示意圖和實(shí)物圖如圖3所示。由圖3可以看出，各點(diǎn)直角坐標(biāo)關(guān)系均可從OB坐標(biāo)推導(dǎo)而出。

圖3 機(jī)殼中心在機(jī)械坐標(biāo)系內(nèi)平面示意圖和實(shí)物圖

設(shè)各點(diǎn)O(i,j,k)的直角坐標(biāo)為(X(i,j,k),Y(i,j,k))，極坐標(biāo)為(θ(i,j,k),r(i,j,k))，同時(shí)設(shè)OB的直角坐標(biāo)為(XB,YB)，則具體關(guān)系如下：

式中，XB=rB·cosθB；YB=rB·sinθB。

根據(jù)極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得

由圖3(a)可知，4#軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角β(i,j,k)與1#軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角θ(i,j,k)相等，當(dāng)4#軸令機(jī)械手與臂展r垂直時(shí)，有β(i,j,k) = 0，則β(i,j,k) =θ(i,j,k)。

由此，可通過(guò)已知OB坐標(biāo)及紙箱、機(jī)殼尺寸計(jì)算紙箱內(nèi)各機(jī)殼中心坐標(biāo)。

3.2 自動(dòng)裝箱控制編程工藝

當(dāng)計(jì)算出紙箱內(nèi)各機(jī)殼中心坐標(biāo)后，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制策略便迎刃而解。

首先，將機(jī)殼同向排列在鋼帶線上，并通過(guò)鋼帶線前端導(dǎo)料、定位裝置，機(jī)殼整齊排列在鋼帶線上；紙箱、隔板也分別通過(guò)上料模組完成定位。

然后，機(jī)械手裝箱，其運(yùn)輸流程如下：

1） 機(jī)械手啟動(dòng)后，系統(tǒng)自檢，使機(jī)械手復(fù)位至零點(diǎn)；

2） 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至OM(θM,rM,hM)抓取模具；

3） 機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)殼模具至紙箱內(nèi)指定位置；

4） 辨別紙箱裝滿與否，如未滿則重復(fù)步驟2）、3）至紙箱裝滿；

5） 傳輸裝箱完畢的紙箱，等待下一次裝箱。OM(θM,rM,hM)運(yùn)動(dòng)至OX(θX,rX,hX)，只需計(jì)算各坐標(biāo)之差，即可得對(duì)應(yīng)軸相對(duì)移動(dòng)量。

機(jī)殼在機(jī)架上自動(dòng)排列后的現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4所示。完成自動(dòng)排序后，機(jī)殼自動(dòng)裝箱機(jī)通過(guò)控制系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)械手且系統(tǒng)自檢；檢測(cè)機(jī)殼和紙箱就位與否；記錄紙箱類型，確定裝箱方案；將機(jī)殼夾具抓取、運(yùn)送及裝箱，直至裝滿紙箱；傳輸裝箱完畢的紙箱，等待下一次裝箱。

圖4 機(jī)殼在機(jī)架上自動(dòng)排列后的現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

1） 針對(duì)微電機(jī)外殼尺寸規(guī)格多樣化、批量大的特點(diǎn)，采用多模組、多種夾具匹配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)殼的自動(dòng)裝箱方案；

2） 研究外殼中心坐標(biāo)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)不同模組模式下機(jī)殼的精確定位，確保運(yùn)載機(jī)械對(duì)機(jī)殼正確抓取和批量裝箱；

3） 經(jīng)揭陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所檢測(cè)，微電機(jī)外殼多模組自動(dòng)裝箱機(jī)完成每層排列及裝箱時(shí)間小于40 s，并可通過(guò)多種電磁吸具和夾具匹配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多模組操作，經(jīng)企業(yè)應(yīng)用測(cè)試，效果良好，大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。