自動化煤氣罐碼垛工作站仿真設(shè)計

摘要著眼當(dāng)前時代,由于中國科技、經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,以及隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革不斷推進,對產(chǎn)品的需求也愈來愈高,造成企業(yè)公司內(nèi)部存在著勞動力供應(yīng)緊張、生產(chǎn)成本增加的現(xiàn)狀。為在高效率的同時,提高生產(chǎn)的品質(zhì),從而達到全機器智能化制造,工業(yè)生產(chǎn)機器人被廣泛應(yīng)用了開來。盡管工業(yè)生產(chǎn)機器人一直是上個世紀的重要技術(shù)發(fā)明成果,過去也有六十幾年,但隨著電子技術(shù)的提升以及智慧制造業(yè)的應(yīng)用普及,制造業(yè)機器人已經(jīng)成為企業(yè)提升、生產(chǎn)力、市場競爭力、以及促進產(chǎn)業(yè)提升的主要方法,因此更多制造企業(yè)進行了升級轉(zhuǎn)型,并開始大量投資于制造業(yè)機器人。企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大以及智能化程度的日益提升,工業(yè)機器人在各行各業(yè)都有了日益深入的運用。本文是基于ABB工業(yè)機器人碼垛搬運工作站為研究背景，并同時對煤氣罐碼垛自動化流水線的工藝流程進行分析；考慮到減小對煤氣罐產(chǎn)品的損壞，設(shè)計建模了真空吸盤式末端執(zhí)行器，對真空吸盤的數(shù)量、大小和直徑進行了計算選型；為了保證產(chǎn)品能夠平穩(wěn)輸送到抓取點，設(shè)計建模了皮帶式輸送機，同時也設(shè)計了擋管讓產(chǎn)品準確到達輸送帶末端；并且對其他外圍設(shè)備（機器人控制柜、真空泵、機器人底座、托盤底座、搬運叉車、圍欄、光電傳感器）進行了選型和建模。最后，在RobotStudio軟件里導(dǎo)入SolidWorks建好的模型，選用ABB公司生產(chǎn)的IRB4400工業(yè)機器人，建立了虛擬工作站，并通過設(shè)計輸送帶和末端執(zhí)行器的Smart組件，搭建機器人I/O輸入輸出信號，編寫碼垛程序，實現(xiàn)設(shè)計要求的碼垛工藝任務(wù)。本文基于ABB工業(yè)機器人碼垛搬運工作站的研究，符合現(xiàn)今各大工廠企業(yè)的碼垛任務(wù)要求，能夠滿足大部分產(chǎn)品的碼垛搬運工藝。關(guān)鍵詞：碼垛機器人、真空吸盤、RobotStudio、Smart組件第1章緒論自從二十世紀六十年代開始，隨著科學(xué)家們的不斷探索，機器人技術(shù)也在不斷地發(fā)展，而工業(yè)機器人的應(yīng)用也越來越廣泛?！尔溈ㄖZ》雜志報道了一種由電機和機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成的移動機器人，它能運送特定重量的物品。1950年代，Unimation開發(fā)了世界上第一個被稱為Unimat的可編程數(shù)字工業(yè)機器人，其液壓驅(qū)動方式實現(xiàn)了0.000-254厘米的精確定位，并應(yīng)用于日本GKN、川崎公司。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，工業(yè)機器人的用途也越來越廣泛，例如1969年開發(fā)的斯坦福機械手，它能夠靈活地調(diào)節(jié)機械手的運動軌跡。1973年，瑞典Mag-nusson公司大量購買了世界上第一臺帶有微處理器的IRB6工業(yè)機器人，并被用來對襯管彎頭進行研磨和拋光。此后，工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍擴大到汽車、冶金、金屬建筑等，取代了手工操作。我國在上個世紀七十年代就開始了工業(yè)機器人的研究，由于技術(shù)和經(jīng)驗的制約，在早期的自主探索中沒有取得明顯的效果。80年代以來，國家在國家政策的支持下，大力發(fā)展工業(yè)機器人，實施了“863”、“九·五”等科技攻關(guān)項目，并在技術(shù)上取得了重大突破。到現(xiàn)在，我們已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，我國許多城市有了自己的工業(yè)區(qū)。1.1課題研究背景及意義隨著工業(yè)技術(shù)的進步，工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量得到了極大的改善，對其功能和性能的要求也越來越高，隨著工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機器人的高精度、智能化、自動化成為其發(fā)展方向[1]。隨著物流自動化的發(fā)展，企業(yè)需要更高的物流效率和更高的物流成本，再加上中國人口老齡化的臨近，工人的工資也越來越高，企業(yè)用工的成本越來越高。搬運碼垛機器人是一種在工業(yè)生產(chǎn)中用于搬運、碼垛等作業(yè)的工業(yè)機器人。在搬運機器人的作用是取代手工搬運物料和制品，在流水線上建立起一條高效率的流水線，它能在狹窄、復(fù)雜的環(huán)境下工作，快速搬運，高精度拾取[2]。比如ABB開發(fā)的IRB7600六軸機器人最大承載能力為650公斤，可進行大型零件吊裝、車體旋轉(zhuǎn)等工作；日本川崎重工業(yè)公司開發(fā)的MX700N六軸機械手采用縱向多關(guān)節(jié)式設(shè)計，最多可承載700公斤的負重，一次可承載大量的工件，而且其下半部分的旋轉(zhuǎn)半徑和作用范圍很小，可以在狹小的空間內(nèi)進行搬運。目前國內(nèi)的搬運碼垛機器人大部分都是國外的，自主品牌的數(shù)量很少，因此國產(chǎn)搬運碼垛機器人的開發(fā)意義很大，而國內(nèi)的搬運碼垛機器人將會更便宜，技術(shù)也更適合國內(nèi)。該機器人對降低勞動強度、人類、環(huán)境、提高生產(chǎn)效率具有重要意義[12]。因此，機器人在改善人們的生活品質(zhì)中扮演著舉足輕重的角色，對其進行研究與分析具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。1.2國外研究現(xiàn)狀與特點國外的機器人公司為了適應(yīng)新的機械結(jié)構(gòu)和高負載、高速度、高精度的要求，開發(fā)了一系列的碼垛機器人。四大公司是工業(yè)機器人四大家族的代表，他們的產(chǎn)品在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。瑞士等國的飲料企業(yè)、酒類、食品企業(yè)，利用數(shù)個搬運機器人，將不同的材料準確地抓住，完成搬運、碼垛、堆垛等工作。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多條生產(chǎn)線的并行操作。該類機器人占用空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間小[3]。近年來，國外的搬運碼垛機器人技術(shù)和應(yīng)用的特點有：(1)機器人本體的更新速度較快，且結(jié)構(gòu)新穎。(2)具有優(yōu)良的控制系統(tǒng)。(3)實現(xiàn)多個領(lǐng)域的應(yīng)用，使制造業(yè)在物流方面朝著自動化方向發(fā)展。1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀與特點我國在60年代初就開始了工業(yè)機器人的研發(fā)與應(yīng)用，但由于受到當(dāng)時的經(jīng)濟、制度等諸多限制，其發(fā)展速度相對較慢，研究與應(yīng)用程度相對較低。在國家政策和科研人員的大力推動下，我國工業(yè)機器人技術(shù)在理論和實踐上都有了重大突破，而移動碼垛機器人技術(shù)也受到了科研工作者的重視，并迅速發(fā)展起來。我國在堆垛機上的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用具有以下幾個特點：(1)在機器人的設(shè)計、傳動、軟硬件等方面，國內(nèi)的科研工作者已經(jīng)深入地研究了機器人的核心技術(shù)。(2)開發(fā)了基本的零部件，如：伺服傳動、擺線針輪減速器、諧波減速器、高精度減速器。(3)在國內(nèi)物流、飲料、化工、食品、工程機械等行業(yè)中，運輸機器人的應(yīng)用[4]。1.4主要研究內(nèi)容·本文根據(jù)ABB工業(yè)機器人碼垛搬運機器人工作站為背景，通過對實際煤氣罐生產(chǎn)線的研究和分析，從而設(shè)計出雙線煤氣罐碼垛機器人工作站的工藝流程。主要研究任務(wù)包括：（1）研究分析工作站的工藝流程根據(jù)實踐情況，設(shè)計煤氣罐大小為500mm*300mm*200mm（長*寬*高），重量為10kg。（2）設(shè)計末端執(zhí)行器為了保證煤氣罐不被損壞和工作站環(huán)境保持干凈整潔，末端執(zhí)行器選用真空吸取式結(jié)構(gòu)，設(shè)計出可以穩(wěn)定吸取煤氣罐的真空吸盤組。（3）真空吸盤的選型根據(jù)煤氣罐質(zhì)量、大小，計算出所需吸附力，選擇合適的動力源，選擇真空吸盤的外形[5]。（4）設(shè)計輸送機采用皮帶式輸送機，根據(jù)煤氣罐的大小、機器人底座和工作范圍，計算設(shè)計輸送機的高度、大小；根據(jù)工作站的工藝要求，選擇適用的電機和傳動組件。（5）外圍設(shè)備的選型主要對機器人控制柜、空氣壓縮機、光電傳感器進行選型。（6）建立模型利用SolidWorks軟件，對真空吸盤末端執(zhí)行器、輸送機、機器人控制柜、空氣壓縮機、機器人底座、托盤底座、搬運叉車、圍欄、光電傳感器建立三維模型。（7）動態(tài)仿真利用RobotStudio進行模擬仿真，根據(jù)工藝要求選用IRB4400機器人，導(dǎo)入三維模型，建立布局虛擬工作站，創(chuàng)建smart組件，設(shè)置I/O信號，工作站邏輯的設(shè)定，程序的編寫與調(diào)試。圖1.1步驟流程圖第2章工藝流程分析與方案設(shè)計基于專利技術(shù)的堆疊機器人，其安裝空間靈活緊湊，可在小型場地上實現(xiàn)高效、節(jié)能的全自動磚塊機生產(chǎn)線。碼垛機器人，是由機器和電腦編程相結(jié)合而成的一種產(chǎn)品。對企業(yè)而言，降低成本是一個永恒的主題，而堆疊機器人為現(xiàn)代生產(chǎn)帶來了更高的生產(chǎn)力，在堆垛業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅節(jié)約了人力和空間，而且操作靈活、精準、快速、高穩(wěn)定性，大大提升了工作的效率。本文采用人工上料--流水線送料--機器人碼垛—叉車搬運的流程，節(jié)省勞動力、提高效率，降低成本。制造工藝：（1）將制品由人工放置于進料臺上，由生產(chǎn)線將制品送至堆碼位置（2）機器人末端執(zhí)行器將已就位的物料吸起；（3）機器人完成堆疊后，由叉車拖出；（4）將機器人末端執(zhí)行器重置至初始位置，主要循環(huán)取出下一件制品。2.1方案設(shè)計2.1.1主要技術(shù)參數(shù)（1）輸送物：成品煤氣罐（500mm*300mm*200mm；10kg）（2）輸送速度：0.5m/s/1m/s（3）運輸寬度：300mm（4）輸送長度：根據(jù)實際布局情況而定（5）驅(qū)動方式：伺服電機驅(qū)動（6）傳感器：光電傳感器（7）機器人：ABBIRB4400（8）控制方式：手動/聯(lián)機自動（9）末端執(zhí)行器：真空吸盤式（吸盤：10個，左右兩邊圓形五點分布）（10）機器人碼垛工作效率：3.6s/箱（11）負載：60kg（12）托盤：1000mm*800mm*80mm（13）托盤底座：1010mm*800mm*50mm2.1.2碼垛機器人工作站的組成碼垛機器人工作站的組成：成品煤氣罐（500mm*300mm*200mm）、機器人本體（ABBIRB4400）、機器人底座、末端執(zhí)行器（真空吸盤式）、皮帶式輸送機（機器人本體前方左右兩臺，運輸效率各不相同）、光電傳感器、托盤（機器人左右兩側(cè)放置）、托盤底座、搬運叉車（兩部叉車等待在托盤出入口）、機器人控制柜（IRC5）、真空泵、適應(yīng)電源：50Hz/380V、三相五線制、安全圍欄。表2.1工作站組成數(shù)據(jù) 名稱數(shù)量機器人本體（ABBIRB4400）1機器人底座1末端執(zhí)行器（真空吸盤式）1皮帶式輸送機2成品紙箱（500mm*300mm*200mm）~托盤2托盤底座2搬運叉車2機器人控制柜（IRC5）1真空泵1光電傳感器2安全圍欄~適應(yīng)電源50Hz/380V、三相五線制12.1.3煤氣罐碼垛工作站的工藝流程（1）煤氣罐碼垛工作站的輸送流程：主要是由皮帶輸送機、光電傳感器、成品煤氣罐組成。首先，生產(chǎn)線打包包裝好的成品煤氣罐通過輸送機輸送進入工作站，然后煤氣罐沿著輸送機兩側(cè)的擋管向前運送（兩側(cè)間距為310mm）；當(dāng)煤氣罐被送到輸送機末端時，利用擋板把煤氣罐停止在輸送機的末端，然后通過安裝在輸送機末端的光電傳感器檢測煤氣罐是否到達，煤氣罐達到末端立即停止輸送機輸送任務(wù)；（2）煤氣罐碼垛工作站的碼垛流程：主要是由機器人及其真空吸盤末端執(zhí)行器、托盤組成。首先，當(dāng)輸送機啟動時，機器人真空吸盤末端執(zhí)行器快速移動到輸送機末端吸取點上方500mm，若是光電傳感器檢測到煤氣罐已達到輸送機末端，機器人末端執(zhí)行器下降至煤氣罐吸取點，等待0.5s，然后吸取煤氣罐，吸取煤氣罐上移至輸送機末端上方點500mm然后再移動至托盤放置點上方500mm，隨后下降至放置點；之后循環(huán)上述操作，依次放好煤氣罐。（完成單邊碼垛任務(wù)后，檢測另一側(cè)輸送機成品煤氣罐是否到位，如果已經(jīng)達到末端，重復(fù)上述碼垛流程，完成碼垛任務(wù)。）（3）煤氣罐碼垛工作站的搬運流程：主要是由叉車完成搬運工作，分別分布在托盤兩側(cè)等待搬運工作。等待機器人完成5層的碼垛任務(wù)之后，叉車立即執(zhí)行碼垛搬運任務(wù)，兩側(cè)叉車交替運作。按照上述步驟將生產(chǎn)線輸送過來的煤氣罐進行碼垛搬運，根據(jù)煤氣罐的大小，計劃一層放置5個煤氣罐，疊放五層。左側(cè)的運輸鏈條運送過來的煤氣罐被堆放在左側(cè)的托盤上，而右側(cè)的運輸鏈條運送過來的煤氣罐則堆放在右側(cè)的托盤上。首先，機器人將左側(cè)的煤氣罐吸入，然后循環(huán)的將25個煤氣罐放入對應(yīng)側(cè)的托盤，當(dāng)左側(cè)的工作完成后，機器人會將右側(cè)的煤氣罐吸起，循環(huán)進行左側(cè)的工作。當(dāng)機器人進行右側(cè)堆疊工作時，左側(cè)的叉車開始搬運已經(jīng)完成的箱子（右側(cè)堆疊工作完成后，再進行同樣的工作）。（4）碼垛機器人工作站的總體分布：根據(jù)工作任務(wù)要求，工作站布局建立如圖2.2所示。圖2.2工作站布局模擬圖圖2.3碼垛工作站實圖2.1.4整體控制概念設(shè)計碼垛是一種需要耗費大量勞動力的生產(chǎn)工藝，而碼垛機器人的出現(xiàn)可以很好地解決這一問題。在實際應(yīng)用中，其控制系統(tǒng)對其工作性能有很大的影響。接著，本文簡單地闡述了碼垛機器人的控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾個要求：（1）機器人可以靈活的進行協(xié)同、控制，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的工作;（2）用圖解表示控制參數(shù)，使之達到路徑控制;（3）動態(tài)響應(yīng)性好，實時性強；（4）是穩(wěn)定性、可靠性、安全性高;（5）是人機界面設(shè)計良好，方便各項操作;（6）硬件體系結(jié)構(gòu)是緊湊的，可擴充的。圖2.4整體控制2.1.5碼垛垛型設(shè)計（1）煤氣罐的設(shè)計瓦楞紙板是由模切、壓痕、釘箱或橡膠箱等工藝制成的，瓦楞紙板是目前應(yīng)用最廣泛的一種，它的使用率在所有包裝制品中位居首位[7][13]。含有鈣波紋的煤氣罐。經(jīng)過近半個多世紀的發(fā)展，瓦楞紙板以其優(yōu)良的使用性能和優(yōu)良的機械性能，逐漸替代了傳統(tǒng)的木箱，逐漸成為我國的交通工具[7]。它除了保護商品、便于儲存和運送以外，還有美化商品和宣傳商品的作用。瓦楞紙板具有環(huán)保、環(huán)保、環(huán)保、易裝卸等特點。根據(jù)對現(xiàn)存市場上的瓦楞包裝煤氣罐大小的研究，以及考慮到產(chǎn)品的大小和質(zhì)量，采用適用于包裝大件商品的煤氣罐，設(shè)計其尺寸大小為500mm*300mm*200，能夠承載重量為10kg的產(chǎn)品。（2）垛型的設(shè)計為了能夠更好的實現(xiàn)機器人對煤氣罐的放置，每一層的各個煤氣罐之間都留有間隙，防止放置煤氣罐時碰撞到已碼好的煤氣罐，一共堆疊5層。一層5個煤氣罐，分成兩列，第一列3個煤氣罐橫著放置，每2個煤氣罐之間間隙為55mm；另一列2個煤氣罐豎著放置，每個煤氣罐之間間隙為10mm。同樣為了能夠更平穩(wěn)地疊放和移動煤氣罐，采用了奇數(shù)層和偶數(shù)層不一樣的堆疊方式，與奇數(shù)層剛好相反，偶數(shù)層的堆疊是第一列為2個煤氣罐，另一列為3個煤氣罐，但間隙大小與奇數(shù)層相同。采用這種方式疊放，可以充分利用相鄰層數(shù)煤氣罐的重量，壓住下層煤氣罐，達到相互保持平穩(wěn)的狀態(tài)，大大減小移動時產(chǎn)生的晃動。這樣碼垛的總大小為：底面大小是1010mm*805mm；高度一層為200mm，5層總高度是1000mm。圖2.5奇數(shù)層擺放圖圖2.6偶數(shù)層擺放圖2.2本章小結(jié)本章主要介紹了碼垛機器人工作站的需求分析與方案的設(shè)計，具體完成工作如下：（1）對一般機器人碼垛流程和生產(chǎn)流程進行了簡要介紹；（2）對本文碼垛工作站的組成和主要技術(shù)參數(shù)進行了簡要介紹；（3）通過分析研究，設(shè)計出本文碼垛機器人工作站的具體工藝流程和布局；（4）針對各部分方案的設(shè)計以及系統(tǒng)的組成和工作流程，完成了對系統(tǒng)總體的設(shè)計方案；（5）最后，根據(jù)方案的要求對煤氣罐的大小和垛型進行了設(shè)計，并且分析了機器人本體對安裝環(huán)境的要求，為編寫機器人程序做好了前提工作。第3章碼垛機器人本體的選型機器人本體是碼垛機器人工作站的主體，是搬運碼垛的直接工具。對機器人的選擇要從經(jīng)濟成本方面和技術(shù)效率兩個方面考慮，要選擇既能滿足碼垛任務(wù)要求，又符合經(jīng)濟成本的要求。3.1碼垛機器人特點：（1）它具有結(jié)構(gòu)簡單、零件少、故障率低、工作穩(wěn)定、維護方便、零件數(shù)目減少等優(yōu)點[6]。（2）占用較小的空間。便于客戶工廠內(nèi)的流水線布局，為倉庫預(yù)留了更大的空間。碼垛機器人可以放置在狹小的空間內(nèi)，并能高效地工作[6]。（3）適應(yīng)能力強。根據(jù)產(chǎn)品尺寸、體積、形狀和外形，只要稍微修改程序，就可以確?？蛻舻恼Ｉa(chǎn)[6]。（4）能耗更低。普通的機器人功率在26KW左右，碼垛機器人在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臺的顯示屏上進行，操作起來十分方便[6]。（6）僅需要對抓點、擺點進行定位，說明方法易于理解。3.2碼垛機器人選型要求：（1）負荷：負荷是機器人在作業(yè)過程中所能承載的最大負荷。若要把一個部件從一個地方搬運到另一個地方，就必須把部件的重量和機械手的重量都計入到負荷之內(nèi)。（2）自由度（軸數(shù)）：機械臂的運動軸的數(shù)目決定了機械臂的自由。若僅做一些簡單的應(yīng)用，4軸機器人就可以了。若機器人必須在狹窄的空間里工作，并且必須扭轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)手臂，那么6、7軸的機器人就是首選。軸數(shù)的選取往往依賴于特定的用途。（3）最大運動距離：最大垂直運動是指機器人的手腕可以到達的最低點（通常在它的底部）到最高點。最大側(cè)向運動幅度是機器人手臂的最大側(cè)向接觸距離，并參考最大運動范圍（單位為度）。（4）廠房內(nèi)的環(huán)境，有無可燃、爆炸性氣體、粉塵和濕度、設(shè)備的安裝空間大小。3.3選擇機器人本體根據(jù)上述特點以及選型要求，同時考慮到工作站的生產(chǎn)要求和負載要求，為了達到生產(chǎn)線的效率和穩(wěn)定性。當(dāng)然，經(jīng)濟成本也在考慮的范圍內(nèi)。本著經(jīng)濟實用的原則，本文選擇的是由ABB公司生產(chǎn)的IRB4400工業(yè)機器人。具體參數(shù)如下：表3.1機器人參數(shù)表軸數(shù)負載工作區(qū)域精度本體重量安裝方式防護級別660kg1960mm0.05mm1040kg落地標(biāo)配IP54IRB4400是一個結(jié)構(gòu)緊湊的機器人，它可以承載60公斤的負載。除了這些，還有萬能IRB4400適用于各種高精度、高速度、高靈活性的場合。（1）機身緊湊、動作敏捷的通用工業(yè)機器人IRB4400擁有很強的平衡性和TrueMove。TM的專利技術(shù)使其在全工況下能夠穩(wěn)定、迅速地移動，保證了在切割等方面的高品質(zhì)的生產(chǎn)。IRB4400具有高的機動性，能夠很好地滿足對速度和靈活性的需求。（2）可靠性與經(jīng)濟性兼顧IRB4400具有堅固的結(jié)構(gòu)和較長的定期維修周期，以保證其操作的經(jīng)濟性。IRB4400驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化，既能在功率消耗與扭矩之間兼顧，又能達到較好的平衡。（3）多種通信方式為設(shè)備集成鋪平道路。IRB4400機器人具有串口、網(wǎng)絡(luò)接口、PLC、遠程I/O、現(xiàn)場總線等多種通訊手段，可以很容易地與小型生產(chǎn)車間、大型企業(yè)的自動控制系統(tǒng)進行整合。（4）優(yōu)點·速度快–操作周期時間短·精度高–零件生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定·通用型–柔性化集成和生產(chǎn)·惡劣生產(chǎn)環(huán)境下達到IP67防護等級圖3.1機器人工作范圍3.4碼垛機器人工作節(jié)拍及參數(shù)預(yù)設(shè)碼垛機器人的工作時間和工作時間有著密切的關(guān)系，一般情況下，人們更多的關(guān)注碼垛機器人一個小時能夠抓取多少包/箱。事實上，用這種方式來形容工作節(jié)拍是錯誤的，因為它并不能真正的反映出碼垛機器人的工作能力和工作效率。本論文所述的碼垛機器人是根據(jù)碼垛與流水線的位置而布置的，其中碼垛機器人位于中心，裝卸點位于碼垛機器人的前面，貨盤位于其左側(cè)右側(cè)。由此可以看出，最大作業(yè)間隙應(yīng)該大于2.2米。其中，碼垛機器人的平均旋轉(zhuǎn)角以70度為單位，如果不考慮換板時間，則其工作效率為每小時1000箱，即每箱3.6秒。碼垛機器人主要由底座、腰部轉(zhuǎn)座、大臂、小臂、前臂、基座、末端執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成[14]。其中，腰部轉(zhuǎn)座，大臂，前臂，末端執(zhí)行器是運動的主體[8]。在進料前，末端執(zhí)行器將從目前的位置移動到夾具等候點，并開啟夾具。一般情況下，在進料點上方500毫米處設(shè)有一個吸取等候點。進料時，碼垛機器人會將末端執(zhí)行機構(gòu)傳送到煤氣罐的吸取點，將煤氣罐吸入，快速提升到某一高度，再將托盤置于等候點（一般在放置點正上方某一段距離）。再降低到放置位置，將煤氣罐放入。將煤氣罐放在適當(dāng)?shù)奈恢煤螅瑢⑵涮嵘揭欢ǖ母叨?，然后再次移動到等候點，等待下一次吸取信號。在整個工作過程中，由不同的機械裝置協(xié)同工作，使整個工作得以完成。碼垛機器人的機構(gòu)與部件傳動時間分配如下[14]：（1）負載工作總時間:2.3s1.末端執(zhí)行器從等待點至抓取煤氣罐時間:0.4s2.煤氣罐抬升動作時間:0.3s3.碼垛機器人回轉(zhuǎn)至托盤上方時間:1.3s4.到達放置點并打開抓手時間:0.3s（2）空載返回總時間:1.3s1.末端執(zhí)行器抬升動作時間:0.2s2.機器人回轉(zhuǎn)至抓取等待點時間:1.10s[14]3.5本章小結(jié)本章主要介紹了對機器人本體的選型情況，主要敘述了如下幾個方面：（1）分析了碼垛機器人本體的選型要求和特點；（2）詳細介紹了IRB4400機器人具體參數(shù)、工作范圍、特點、優(yōu)點；（3）對碼垛機器人的工作節(jié)拍及參數(shù)進行預(yù)設(shè)。第4章工作站的機械部分4.1碼垛機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，指的是抓取工具，它主要是安裝在法蘭盤上，可以直接抓住工件，完成工作。機器人的手，可以和人的手一樣，也可以是無指的手，就像一套真空的吸盤，安裝在法蘭盤上；它可以是人類的爪子，也可以是專門的工作工具，比如噴漆槍、焊接工具，根據(jù)用途的不同，機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)也會有很大的差別。工業(yè)機器人可以在圓盤、長軸、不規(guī)則、金屬板等多種工件的搬運、碼垛、自動上料、下料、翻轉(zhuǎn)、工件翻轉(zhuǎn)等作業(yè)[9]。它看似微不足道，實則意義重大，是與環(huán)境交互的最終環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)機器人靈活、易用的關(guān)鍵因素。4.1.1末端執(zhí)行器的分類末端執(zhí)行器是指與抓取物體直接接觸的部位，就像是人類的手掌一樣，起到了抓取、移動、堆疊的作用，起到了很大的作用。由于在生產(chǎn)過程中，機器人捕捉的物品的尺寸和種類也不盡相同，可以說是種類繁多，包括箱形、板形、袋形、筒狀等。因此，在生產(chǎn)線上，為了適應(yīng)不同的抓取環(huán)境，碼垛機器人的末端執(zhí)行器必須能夠適應(yīng)各種類型的產(chǎn)品。因為機器人能夠完成的任務(wù)范圍很大，所以很難將其標(biāo)準化，所以在實踐中，通常會針對具體的任務(wù)量身定做，常見的有如下幾種類型：（1）鉗夾式末端執(zhí)行器夾鉗式末端執(zhí)行機構(gòu)，又稱夾鉗式取料器，是一種在工業(yè)機器人中使用較多的末端執(zhí)行機構(gòu)，在組裝生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用。其工作原理與普通手鉗相似，主要包括手指（手爪）驅(qū)動、傳動、連接和支承等。采用夾鉗型末端執(zhí)行器，能夠利用爪子的開閉運動來完成對目標(biāo)的抓取。圖4.1鉗夾式末端執(zhí)行器（2）吸附式末端執(zhí)行器吸附式末端執(zhí)行器是依靠吸附力來產(chǎn)生物料，適合于大平面、易碎（玻璃、磁盤）等微小物件，因而用途廣泛，按吸附力的不同，可以將其分成兩類：氣吸附式和磁吸附式[9]。（1）氣吸附式：氣吸附式末端執(zhí)行器是利用輕性塑膠或塑料制成的皮碗，通過抽空與物體接觸平面密封型腔的空氣而產(chǎn)生的負壓真空吸力，來抓取和搬運物體。根據(jù)真空產(chǎn)生的原理,可分為三種：1.真空吸盤采用真空泵，可使吸嘴保持連續(xù)的負壓。吸盤的吸力與吸盤與工件表面的接觸面積、吸盤內(nèi)、外壓力的差值有關(guān)，而且與工件的表面狀況也有很大的關(guān)系，從而影響到負壓的泄露[9]。2.氣流負壓吸盤在貝努利效應(yīng)的影響下，壓縮氣體在橡皮圓筒內(nèi)產(chǎn)生了負壓。工廠中一般都有空壓機或空壓機，這種空壓機的空壓機很容易找到，而且不需要特別的機械臂上安裝真空泵，因此在工廠中使用非常方便。3.擠氣負壓吸盤該擠壓負壓吸盤無需抽真空泵或空氣源，使用更加經(jīng)濟、便捷，但其可靠性不如真空吸嘴、氣流負壓吸盤。如圖4.2所示圖4.2擠氣負壓吸盤（2）磁吸附式：磁吸附式末端執(zhí)行器是利用磁鐵或電磁鐵，通電后產(chǎn)生的磁力來吸附工件的，其應(yīng)用比較廣泛，不會破壞被吸件表面。綜上對比，本文碼垛磚機器人工作站的吸附物是煤氣罐，煤氣罐重量不是很大，又非金屬材料，利用氣吸附式可以很好地實現(xiàn)對煤氣罐的碼垛任務(wù)，且不損傷其表面?？紤]到真空吸盤的真空壓力要通過真空泵和其配套的真空系統(tǒng)來實現(xiàn)，其經(jīng)濟成本過高，而氣流負壓吸盤的真空壓力可以由空氣壓縮機通過真空發(fā)生器提供。因此，本文選擇氣流負壓吸盤作為末端執(zhí)行器。4.1.2吸附式末端執(zhí)行器的設(shè)計方案吸盤的工作原理：首先，將吸盤與抽氣裝置（如抽氣泵等）連接，并與吸附物接觸，并通過抽氣裝置把吸盤內(nèi)部的空氣吸走，在吸盤內(nèi)部形成小于大氣的壓力，將被提升物固定，并進行搬運。在被吸附物放置到目標(biāo)地后，將空氣充進真空吸盤內(nèi)，使其恢復(fù)大氣壓，將與吸附物分離，完成了搬運碼垛工作[9]。圖4.3真空吸盤工作原理圖本文碼垛機器人的末端執(zhí)行器主要由架體、氣流負壓吸盤、真空發(fā)生器等組成，架體采用剛性連接，上方圓形孔可與機器人法蘭盤接口相接[9]。吸盤架設(shè)計成翅膀型，能夠減輕末端執(zhí)行器的自身重量。吸盤數(shù)量初步定為10個，左右側(cè)各5個，呈圓形陣列布局，以在煤氣罐表面形成均衡的吸附力。真空吸盤材料選型真空吸盤一般是用橡膠和金屬框架來構(gòu)成的。真空吸盤主要是由橡膠材料制成，在工作時不會產(chǎn)生光、熱、電磁等現(xiàn)象，因此對周圍的環(huán)境沒有任何影響[19]。常見的吸盤材料有四種：（1）丁晴橡膠（NBR）該材料的吸盤具有優(yōu)良的韌性，在120℃的使用溫度，具有良好的耐磨、抗老化、抗油、抗酸堿、防水等性能，是最常用的真空吸盤材料。（2）聚氨酯橡膠（U）韌性好，使用溫度60℃，耐磨、抗老化、耐油、耐酸堿、耐水。上述兩種產(chǎn)品適用于硬殼紙，膠合板等一般的產(chǎn)品。真空杯是用氨基甲酸乙酯做的，非常耐用。（3）氟橡膠（FKM）它的韌性比其他兩種要弱一些，但可以在250℃以上使用，除了耐堿性能較差之外，其他性能都很好，可以用來運輸藥物。（4）硅橡膠（S）具有良好的韌性，使用溫度為200℃，耐磨、抗老化、抗油性、耐酸堿、耐水性。適用于半導(dǎo)體元件，薄工件，金屬成型制品，食品。硅橡膠真空吸嘴非常適合于表面粗糙的產(chǎn)品。吸盤在選型時，需考慮吸盤所吸取物體的材料、表面質(zhì)量、工作環(huán)境、吸盤與被吸物體的接觸形式、摩擦因數(shù)及被吸物體的質(zhì)量等一系列因素[9]。綜上對比，煤氣罐碼垛工作環(huán)境溫度不高，濕度較低，考慮到經(jīng)濟成本方面，本文選擇的是丁晴橡膠，它耐磨性好，韌性好，適合煤氣罐碼垛的長期運作。真空吸盤的選型計算吸盤的種類有很多種，最常用的有橢圓吸盤、波紋吸盤、扁平吸盤等等。（1）橢圓吸盤最大限度地利用了可吸收的表面，適合于長的凸形零件。是一種具有較高硬度的吸盤，具有較大的吸力，如平板和波形的吸盤，多種材質(zhì)，內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)具有高的抓握力。橢圓形吸盤適用范圍：用于輸送細長且具有較小抓取力的工件：例如管子、幾何制品、木材條、窗框、紙盒、鋁箔/熱塑性包裝制品。（2）波紋吸盤1.5折、2.5、3.5折，具有很好的適應(yīng)不平坦的表面，在抓取時起到了提高作用，不同高度的補償，對易磨損的工件進行了輕巧的抓取。軟質(zhì)底波紋吸盤，高硬度，高彈性，適用性好，下端支持，吸杯材質(zhì)多樣。波紋吸盤的典型用途：用于運輸圓盤狀不平的工件，例如：汽車金屬片、紙盒、塑料制品、鋁箔/熱塑包裝制品、電子部件。（3）扁平吸盤高精度的定位、小巧的設(shè)計、較小的內(nèi)部體積，可以減少抓持時間，達到較高的橫向作用力，在平坦的工件表面上，寬的密封唇具有最優(yōu)的密封性能，并能很好地抓住工件，同時，采用大口徑的埋入式結(jié)構(gòu)，可以達到較高的吸附力。因為，本文的吸盤是吸取煤氣罐進行搬運碼垛的，所以在搬運碼垛的過程需要不斷地變換方向。因此，選擇適合搬運煤氣罐的波紋型吸盤。真空吸盤能否平穩(wěn)地吸住煤氣罐的關(guān)鍵在與真空吸盤的真空壓力和吸盤的直徑大小，要根據(jù)被吸取煤氣罐的質(zhì)量來確定真空吸盤的吸附力，為了滿足工作時的要求，還有保留一定的余量。通過計算確定的數(shù)值，通常只能是理論值，還要根據(jù)工作狀態(tài)和工作環(huán)境來選擇真空吸盤的型號和尺寸。在本文中煤氣罐的大小為500mm*300mm*200mm，其質(zhì)量大小為10kg，考慮到煤氣罐搬運碼垛過程存在快速移動和回轉(zhuǎn)，這些運動會產(chǎn)生一定的加速度和慣性力，應(yīng)當(dāng)給與一定的余量。結(jié)合回轉(zhuǎn)移動時產(chǎn)生的加速度、離心力、切向力等，選取真空吸盤的直徑為40mm。經(jīng)過分析與計算，最后選擇型號為J-WET41-d40的真空吸盤，該吸盤是精密型波紋型真空吸盤，彈簧式側(cè)面真空端口，安裝方式帶彈簧螺帽固定式吸盤材質(zhì)為丁晴橡膠NBR。圖4.4真空吸盤4.1.3真空吸盤末端執(zhí)行器的SolidWorks建模IRB4400機器人最大承受能力為60kg，為了保證機器人能夠長時間長期運作，安裝在機器人法蘭盤上的末端執(zhí)行器要盡量輕便，減少對機器人的損耗。因此，選用了型號A6063的鋁合金型材，外形尺寸為556mm*250mm*166mm。該型材的機械性能略低于一般碳素鋼材，但其品質(zhì)不及齊通碳鋼異型材的二分之一，且初性好，強度大，外表光滑美觀，使用壽命長；在工藝上，這種材料無需焊接，機械零件少，裝配簡便，節(jié)省時間，縮短生產(chǎn)周期[10][11]。圖4.5真空吸盤末端執(zhí)行器三維圖圖中，①：波紋型真空吸盤，②送氣管，③真空發(fā)生器，④真空吸盤架體，⑤法蘭盤連接架體。4.2輸送機的設(shè)計輸送機在碼垛機器人工作站中，同樣擔(dān)任著很重要的角色，負責(zé)把在生產(chǎn)線前端工人包裝好的煤氣罐運送進入碼垛工作站，是為碼垛任務(wù)提供物料源的裝置。4.2.1輸送機的分類一般來說輸送機的類別主要有以下幾個部分：（1）皮帶輸送機的構(gòu)造：采用摩擦驅(qū)動的原理，通過驅(qū)動輥驅(qū)動傳送帶傳送材料。其主要結(jié)構(gòu)包括：主要由固定板、平皮帶、平皮帶滑輪、平皮帶惰輪、電機。大部分的傳動形式都是由電機帶動的[10][11]。（2）鏈式輸送機：包括平板輸送機，鱗板輸送機，盤式輸送機，斗式輸送機，等等[10][11]。（3）輥式輸送機:輥式輸送機是應(yīng)用滾柱原理最簡單的輸送機。把輥子排列安裝在框架上就構(gòu)成輥式輸送機[10][11]。結(jié)合本文煤氣罐和結(jié)構(gòu)特點，選擇采用皮帶式輸送機，皮帶表面和煤氣罐能夠產(chǎn)生較大的摩擦阻力，這樣可以更加平穩(wěn)地輸送煤氣罐到吸取點。4.2.2皮帶式輸送機的設(shè)計方案輸送流程：采用PLC進行控制，當(dāng)包裝好的煤氣罐通過生產(chǎn)線輸送進入工作站，達到工作站輸送機上，利用兩側(cè)的定位擋管，把煤氣罐的位置擺正，并且順利地運送到輸送機的末端，即機器人的吸取點位置。當(dāng)煤氣罐達到末端時，安裝在末端的光電傳感器，立即檢測信號，同時自動停止輸送機工作，暫停煤氣罐的運送，進入待碼垛狀態(tài)，待處在末端的煤氣罐被機器人完全抬起，光電傳感器再次檢測信號，啟動輸送機工作。輸送機的外形尺寸大小為：長2700mm，寬440mm，高480mm，機架材質(zhì)選擇用Q235A，輸送帶顏色初步設(shè)定為綠色。輸送機的組成：主要由支撐板、定位擋管③、擋板⑥、平皮帶⑤、平皮帶滑輪②、平皮帶惰輪⑦、軸承、電機①、同步帶輪和皮帶組成，④為定位擋管的固定裝置。圖4.6皮帶式輸送機皮帶式輸送機的計算選型（1）設(shè)定輸送機運輸量根據(jù)上面對機器人的節(jié)拍設(shè)定，初步設(shè)定輸送機的運輸量為1t/h。（2）帶寬一般情況下，傳送帶的傳送容量會隨傳送帶寬度的增大而增大，但是狹窄傳送帶的寬度與所傳送物料的粒徑有關(guān)。傳送帶的寬度一定要足夠?qū)?，以便輸送的物體不被固定在傳送帶的邊沿上，順利完成輸送。輸送的煤氣罐產(chǎn)品尺寸大小為500mm*300mm*200mm，本文中煤氣罐是豎著運送的，結(jié)合煤氣罐寬度為300mm，為了煤氣罐能在輸送機上正常輸送，設(shè)計輸送機寬度時預(yù)留有一定的空間，因此，輸送機的寬度選擇為326mm。（3）帶速皮帶式輸送機的速度與輸送機的大小、重量、成本、作業(yè)品質(zhì)有關(guān)。提高皮帶速度，在相同的輸送能力下，帶式輸送機的帶寬變小，而輸送帶的帶材負荷減少，張力也相應(yīng)減少，因此可以選用低強度、低成本的傳送帶。隨著皮帶速度的增大，傳動機構(gòu)的大小和質(zhì)量也隨之降低。增加頻帶速度和減少頻帶可以在某種程度上減少設(shè)備的費用。然而，由于皮帶速度的提高，在運輸時會產(chǎn)生粉塵飛揚、物料破碎、物料裝載段、清掃段出對皮帶的磨損增大。所以，選擇傳送帶速度要考慮多種因素。選定帶速需要考慮的因素：1.輸送機輸送的物料特性對磨損性小、顆粒小、不怕破碎的材料，如煤、谷物、砂等，其轉(zhuǎn)速一般為2~4米/秒，對大塊、大塊礦石、焦炭等具有高磨損、大塊、大塊礦石、焦炭等，宜低速運行，一般為1.25~2米/秒；對于粉末狀的物料，為防止粉塵的飛揚，一般采用低速輸送，一般為1米/秒；對于成批的貨物，也適用于低速運輸，要求速度為1.25米/秒。2.皮帶輸送機的布置和卸料方式橫向、長距離傳送帶適宜于高速傳送；當(dāng)安裝有一定的角度時，皮帶速度應(yīng)較小。若使用卸車，皮帶速度不宜太高，應(yīng)控制在3.15米/秒以內(nèi)；如果使用犁式卸料機，由于額外的阻力和磨損，皮帶速度應(yīng)該在2.5米/秒以內(nèi)。3.輸送能力與帶寬輸送能力與帶速、帶寬成正比，隨著帶材的寬度、厚度的增加，跑偏將減小，可以選擇較高的帶速[11]。結(jié)合上述內(nèi)容，輸送機的輸送對象為煤氣罐，是為成件的貨物，因此，選擇帶速控制在1.25m/s。（4）輸送帶皮帶作為輸送帶的一個關(guān)鍵部件，起著輸送、搬運物料、傳遞牽引力的作用。主要分為以下幾種：一、尼龍帆布輸送帶采用全棉帆布（CC）或維棉浸漬帆布，適用于各種物料，如一些成件體，具有良好的常溫傳輸性能。根據(jù)不同的工作環(huán)境和需要，可以生產(chǎn)出包邊型、開邊型、中梯型、邊梯型等多種結(jié)構(gòu)。二、尼龍芯輸送帶尼龍傳送帶是以多層尼龍布為基材，以一定的方法將其粘結(jié)在一起，并用高強度、高彈性的耐磨性橡膠進行包覆。適用于高速度、中、長距離的高沖擊運輸。根據(jù)涂層的特性，可以將其劃分為一般應(yīng)用型、耐磨型、易燃型。三、聚脂輸送帶聚脂傳送帶是用好幾層聚脂（或聚脂，緯向聚脂）帆布以特定的方法粘結(jié)而成，具有較高的強度和良好的彈性。適用于各種中小粉末顆粒等物料的輸送。適用于高負荷、高速下的輸送。綜上對比，因為輸送機是采用滾筒來傳動的，會產(chǎn)生一定摩擦熱，所以選擇難燃型的尼龍芯輸送帶。（5）傳動滾筒傳動滾筒是帶式輸送機重要的組成部分之一，其主要尺寸包括寬度和直徑，寬度大小與輸送機寬度所匹配，直徑大小則需要通過粗略計算得出。計算公式如下：式中，D為滾筒直徑，C為計算系數(shù)，db為繩芯厚度，經(jīng)過計算，選擇滾筒直徑大小為100mm。（6）運行阻力接下來我們需要選定合適的驅(qū)動電機，首先我們要計算輸送機的運行阻力，計算運行阻力的方法有很多[17]，本文采用以下方式：圖4.7運行阻力分析（7）牽引力的計算計算公式如下：式中，ωf為附加阻力系數(shù)，一般取ωf=1.1。（8）電動機的選型考慮到在實際的運輸作業(yè)中，皮帶輸送機的傳動系統(tǒng)需要符合下列功能要求：（1）在起動階段，應(yīng)盡量減少帶式運輸機對系統(tǒng)的沖擊；（2）盡量確保傳動機構(gòu)能向整個系統(tǒng)提供充分的驅(qū)動力，確保在起動和剎車時，輥子和傳送帶不會發(fā)生打滑；（3）在傳送距離遠的情況下，要考慮多點傳動，同時要解決多點傳動引起的動力不均衡問題；（4）要求傳送帶的傳動機構(gòu)可以根據(jù)運輸任務(wù)實時地控制輸送速度，以實現(xiàn)節(jié)約能源。電動機功率計算，公式如下：經(jīng)過上式的計算，要求電機的功率不能小于0.7kw，計算的電動機軸功率，還應(yīng)考慮15%左右的剩余功率，最后選擇用Y系列電動機。Y系列電機為全封閉式自扇冷鼠籠三相異步電機，廣泛應(yīng)用。其安裝大小及功率等級均按IEC規(guī)范要求，機箱的保護級別為IP44，采用IC411的冷卻方式，以及連續(xù)工作的方式（S1），適合于機械。經(jīng)過查表分析，選擇了型號為Y90S-2的電動機，電機參數(shù)如下：表4.1電機參數(shù)型號額定功率KW額定電流A轉(zhuǎn)速r/min效率%額定轉(zhuǎn)矩振動速度mm/s重量kgY90s-21.53.42840782.31.8224.3本章小結(jié)本章主要對兩大主要機械部分進行了設(shè)計，一個是末端執(zhí)行器，一個是輸送機，主要研究內(nèi)容如下：（1）對真空吸盤的材料和種類的選型；（2）分析和計算真空吸盤的直徑大小并利用SolidWorks建立三維模型；（3）選擇輸送機的類型，并分析確定輸送流程；（4）計算皮帶式輸送機的主要部分的具體參數(shù)和選型；（5）建立皮帶式輸送機的三維模型。第5章周圍設(shè)備的選型和建模根據(jù)碼垛機器人工作站的工藝流程和要求，對工作站的周圍設(shè)備進行分析選型，再通過SolidWorks軟件，對這些設(shè)備進行三維建模。主要包括：機器人控制柜、空氣壓縮機、托盤、機器人底座、托盤底座、搬運叉車、圍欄、光電傳感器。5.1機器人控制柜5.1.1工業(yè)機器人控制柜的組成工業(yè)機器人控制器通常由主電源、計算機電源、計算機控制模塊（計算機主體）、輸入輸出板（I/O板）、用戶連接端口、示教器連接接口、各軸計算機板、各軸伺服電機的驅(qū)動單元等。在工業(yè)機器人的控制柜中，一般采用的是一個控制模塊，它主要由一個主計算機組成，它負責(zé)執(zhí)行RAPID和信號的處理。一臺控制系統(tǒng)可與1~4臺傳動系統(tǒng)相連接。該驅(qū)動組件包括一個電子裝置的組件，該組件可以為機械手的電機提供動力，該系統(tǒng)最多可包括9個傳動裝置，每一個傳動裝置都能控制一個機械手的關(guān)節(jié)。圖5.1工業(yè)機器人控制柜外部各接口表5.1工業(yè)機器人控制柜外部各接口名稱序號接口按鈕名稱序號接口按鈕名稱A機器人動力電纜接口F復(fù)位與上電按鈕B示教器電纜接口G機器人本體送剎車按鈕C力控制選項信號電纜入口H編碼器電纜連接口D運動模式轉(zhuǎn)換開關(guān)I主電源控制開關(guān)E急停按鈕J220V電源插口結(jié)合上述內(nèi)容，本文IRB4400機器人選擇采用ABB控制器IRC5來控制機器人系統(tǒng)。5.1.2控制柜的三維模型圖通過三維軟件，對IRC5控制器進行1:1的外形建模。如圖5.2所示：圖5.2控制器三維模型5.2空氣壓縮機空氣壓縮機作為真空吸盤末端執(zhí)行器的真空源，在整個工作站中，也是屬于重要的外圍設(shè)備。在選用空壓機時，應(yīng)先確定真空吸盤的工作壓力，還要考慮在輸送氣體工程中的損失，然后再選擇空壓機的壓強，（這損耗量是將空壓機安裝位置至實際使用的管道距離的壓差，并將壓力損耗考慮在1至2pa之間）。管道的直徑和彎頭的數(shù)量對管道的壓力損失有很大的影響，管道的直徑越大，轉(zhuǎn)彎點越少，管道的壓力損失就越??；相反，壓力損失會更大。5.2.1空氣壓縮機的選型空壓機是一種對氣體進行壓縮的裝置?？諌簷C的結(jié)構(gòu)類似于泵。目前常用的空壓機都有其優(yōu)點和不足之處：活塞式空氣壓縮機密封易損壞，運行中慣性力矩不均衡，運行可靠性低；螺旋空壓機結(jié)構(gòu)簡單，振動小，噪音低，效率高，無易損件，耗電高；離心空壓機集高科技、高可靠性、高質(zhì)量的供氣質(zhì)量、高性價比于一身，它提供的是不含油的壓縮空氣，必須事先啟動一臺小型的空壓機，它的起動過程十分繁瑣[15]。本文真空吸盤的空氣壓縮機選擇用固定式的旋轉(zhuǎn)葉片空壓機。其特點：機械性能穩(wěn)定、體積小、重量輕、操作簡便、便于攜帶、風(fēng)力大。適用于噴漆、氣動工具、礦山機械等需要壓縮空氣的地方。根據(jù)真空吸盤的真空壓力等要求，同時能夠平穩(wěn)地移動煤氣罐，選擇了型號為GKJ-4p351的空氣壓縮機，主要參數(shù)如表5.3所示：表5.3空壓機主要參數(shù)型號匹數(shù)功率電源排氣量容積及尺寸排氣壓力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空氣壓縮機的三維模型通過三維軟件，對空氣壓縮機進行1:1的外形建模。如圖5.3所示：圖5.3空壓機三維模型5.3光電傳感器5.3.1光電傳感器的選型光電傳感器的選型特點：（1）感應(yīng)距離的確定；光電傳感器的探測距離較長；（2）選擇工作方式：對射型，反射型，回歸反射型；（3）當(dāng)被測對象的感生截面與在穩(wěn)態(tài)下的光點尺寸進行比較；（4）PNP/NPN的輸出格式；在歐洲，主要是PNP，例如Siemens，亞洲主要是NPN，例如OMRON；（5）一種連接模式，一種導(dǎo)引式/插頭式；插頭的形式更加使用維修替換；（6）其它：工作場所（有無油污、無灰塵）根據(jù)上述選型特點，并且檢測對象為煤氣罐，本文選擇易福門IFM企業(yè)型號為OGS280的光電傳感器，其具體參數(shù)如表5.4：表5.4電氣數(shù)據(jù)工作電壓（V）24DC絕緣等級（V）500電流損耗（mA）<400AS-i電流消耗最大值[mA]10消耗功率最大值[VA]10AS-主機的數(shù)量2電氣隔離有5.3.2光電傳感器的建模傳感器是系統(tǒng)接收信息的源頭，選用合適的傳感器能在一定程度上提高控制系統(tǒng)的特性和性能指標(biāo)[20]。根據(jù)OGS280光電傳感器，對照其外形進行1:1的三維建模，如圖5.4所示：圖5.4光電傳感器三維模型5.4其他輔助裝置的建模5.4.1叉車叉車在工作站中主要負責(zé)的任務(wù)是搬運，在碼垛任務(wù)完成后，叉車進入工作站把托盤搬運到目的地。圖5.5叉車三維模型5.4.2托盤托盤是煤氣罐疊放的承重架件，其尺寸大小為：1000mm*800mm*80mm圖5.6托盤三維模型5.4.3托盤底座托盤底座的作用在于固定托盤，避免機器人在進行碼垛任務(wù)時，放置煤氣罐導(dǎo)致托盤位置的變動。尺寸為：1010mm*800mm*50mm圖5.7托盤底座三維模型5.4.4機器人底座機器人實際上可以不用底座就可以實現(xiàn)安裝，但大部分機器人本體的安裝都需要用上機器人底座，這是因為，安裝底座可以讓機器人獲得更大的工作空間，保證機器人末端執(zhí)行器能夠以更完美的姿態(tài)達到目標(biāo)點。圖5.8機器人底座三維模型5.4.5圍欄在一個完整的機器人工作站中，圍欄是缺一不可的。這是因為，機器人在啟動之后，運行速度很快，當(dāng)無關(guān)人員或是物件進入工作站，極大可能會造成事故。因此，在工作站周圍安裝圍欄的目的就是為了保證工人的安全和機器人不被損壞。圖5.9圍欄三維模型5.5本章小結(jié)本章主要對碼垛機器人工作站的主要外圍設(shè)備進行了選型，包括：機器人控制柜、空氣壓縮機、托盤、機器人底座、托盤底座、搬運叉車、圍欄、光電傳感器，同時完成了這些設(shè)備的三維建模。其中，機器人控制柜、空氣壓縮機、光電傳感器進行了詳細的選型和介紹參數(shù)。第6章碼垛機器人工作站的仿真本文的仿真研究是在RobotStudio軟件里完成的，導(dǎo)入建立好的三維模型并完成布局，建立好碼垛機器人虛擬工作站。6.1工作站的布局本文創(chuàng)建的工作站是由2個輸送鏈來運送煤氣罐，其中左邊的輸送鏈運送的煤氣罐碼垛在左邊托盤上，右邊的碼垛在右邊托盤上。每個托盤堆疊5層，1層放置5個煤氣罐，一共完成25個煤氣罐的碼垛任務(wù)，機器人則每個循環(huán)完成50個煤氣罐碼垛任務(wù)。根據(jù)這些任務(wù)要求，工作站的布局如圖6.1所示：圖6.1工作站的布局6.2Smart組件邏輯設(shè)計Smart組件邏輯設(shè)計是虛擬工作站仿真動態(tài)效果的呈現(xiàn)，即完成從煤氣罐生成到輸送機輸送再到傳感器檢測后，由吸盤吸取。組件的邏輯設(shè)計關(guān)系到工作站關(guān)鍵動作部分虛擬仿真的正確性[18]，本文工作站的Smart組件設(shè)計主要包括：末端執(zhí)行器組件、2個輸送鏈組件。6.2.1末端執(zhí)行器組件邏輯設(shè)計真空吸盤末端執(zhí)行器在仿真里要完成的動作主要是吸取和釋放，因此需要一個安裝和拆除已安裝對象的子對象組件；在進行吸取和釋放動作時，需要檢測真空吸盤是否已經(jīng)接觸到煤氣罐，因此需要在末端執(zhí)行器上安裝一個線性傳感器；最后還需要一個邏輯非門運算。圖6.2真空吸盤組件子對象圖6.3真空吸盤組件邏輯設(shè)計從組件的邏輯設(shè)計可以看出，當(dāng)xi=1時，真空吸盤模型吸取的動作，當(dāng)線傳感器LineSensor（如圖6.4所示）檢測到煤氣罐時，傳感器被激活后sensedPart端輸出1，并將信號傳輸給安裝組件Attacher和拆除組件Detcher的Child端，（Child為安裝對象和已安裝對象），此時，安裝組件將煤氣罐和末端執(zhí)行器模型綁定，實現(xiàn)吸取效果。當(dāng)xi=0時，經(jīng)過邏輯非門LogicGate[NOT]輸出信號1，傳輸給拆除組件Detcher，實現(xiàn)煤氣罐的釋放動作。圖6.4線傳感器6.2.2輸送機的邏輯設(shè)計2個輸送機的Smart組件的設(shè)計相同，本文以其中1個為例進行說明，其組成如表6.1所示：表6.1輸送機組件組成表Smart組件數(shù)量(個)說明SimulationEvents1仿真開始/停止時發(fā)出脈沖信號。產(chǎn)生信號后，輸送機立即啟動Timer1在指定距離間隔脈沖輸出一個數(shù)據(jù)信號?？梢钥刂葡噜徏埾涞拈g距Source1創(chuàng)建圖形組件拷貝，實現(xiàn)紙箱不斷生成Queue1分組操作，對復(fù)制的紙箱執(zhí)行隊列排序并使其具有共同的動方屬性LinearMover1在一條直線上移動對象，實現(xiàn)紙箱在輸送機上的移動PlaneSensor1檢測紙箱是否已到達輸送機末端，實現(xiàn)光電傳感器的作用LogicGate[NOT]1對數(shù)字信號進行邏輯取反操作，以便符合邏輯條件時激活相應(yīng)組件圖6.5輸送機組件邏輯設(shè)計定時器Timer設(shè)定為2s給定一個上升沿，將信號傳輸給拷貝組件Source的Execute端，復(fù)制對象為煤氣罐，再將信號輸入到隊列Queue的Enqueue端，把復(fù)制的煤氣罐放在一個隊列中，通過直線移動組件LinearMove把隊列Queue一起移動，在輸送機的末端建立一個面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor，當(dāng)煤氣罐觸碰到面?zhèn)鞲衅鳎ㄈ鐖D6.6所示），SensorOut端輸出信號1，并將信號輸出給隊列Queue的Dequeue端，把前面的煤氣罐一處隊列（防止到達吸取點的煤氣罐還跟著隊列移動），同時把信號輸送給輸出信號DW，作為機器人進行吸取任務(wù)的信號，再將信號通過邏輯非門與直線移動組件和定時器連接，在煤氣罐與面?zhèn)鞲衅鹘佑|時，邏輯非門輸出信號為0，停止定時器和直線移動組件的運行。圖6.6輸送機面?zhèn)鞲衅?.2.3工作站邏輯的設(shè)計工作站的邏輯的組成：2個輸送機組件、末端執(zhí)行器組件、工作站系統(tǒng)，連接如圖6-7所示：圖6.7工作站邏輯設(shè)計6.3仿真程序的編寫仿真程序的編寫主要運用了for循環(huán)和if語句，因為程序存在重復(fù)部分，所以本文中，主要介紹奇偶數(shù)層的程序內(nèi)容。圖6.8程序的定義內(nèi)容圖中，Target_10為左邊輸送機的吸取點，Target_20為左邊托盤的第一個放置點，Target_30為左邊托盤的第二個放置點，Target_40為右邊輸送機的吸取點，Target_50為右邊托盤的第一個放置點，Target_60為右邊托盤