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      機器人真空吸盤自動搬膠系統的設計研究

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-06 08:18:37    瀏覽次數:21    評論:0
      導讀

      隨著“中國制造2025”戰略的發展,輪胎企業正開啟新時代轉型升級之路,智能制造在輪胎工業已取得重大進展[1~2]。自動化技術的應用是實現智能制造的必要條件[3~4]。但密煉生產工藝的自動化程度仍存在較大提升空間。輪胎企業中密煉車間天然膠和合成膠主要通過人工將膠塊搬運至密煉機輸送線上或搬運至碎膠機生產線,由于單塊

      隨著“中國制造2025”戰略的發展,輪胎企業正開啟新時代轉型升級之路,智能制造在輪胎工業已取得重大進展[1~2]。自動化技術的應用是實現智能制造的必要條件[3~4]。但密煉生產工藝的自動化程度仍存在較大提升空間。輪胎企業中密煉車間天然膠和合成膠主要通過人工將膠塊搬運至密煉機輸送線上或搬運至碎膠機生產線,由于單塊膠塊重量達約50 kg,頻繁搬運造成工人的勞動強度大,工作效率低,而且手工抓拿空間較小且需彎腰向下操作,危險性極大且存在搬運膠種誤操作等相關問題。固體塊狀的橡膠原材料在常溫下比常見的橡膠成品彈性、韌性都稍差,但仍屬柔軟易變形類固體物質,因此抓取難度較大。此外,由于膠塊停放時間影響,膠塊之間有時會存在粘連現象,如何通過一種自動化抓膠裝置徹底替代人工成為難題。業內的一些輪胎企業外購真空吸盤吊、氣動吸盤吊,但其存在可靠性差、維修成本高、自動化程度低等問題[5]。傳統輪胎生產中的密煉環節中由于不同輪胎企業密煉車間生產工藝略有差異,部分輪胎企業工藝要求先將膠塊放置烘膠房中烘膠,然后送至密煉車間的密煉機輸送線旁邊,由工人搬運至密煉機輸送線上。這種工藝情況下膠塊硬度較小,但當前很多企業工藝要求不對膠塊進行烘膠而是直接搬運至密煉機輸送線上,由于膠塊硬度較大,特別是當氣溫進入冬季,環境溫度較低,一些輪胎企業引進的鋼針式抓膠搬運機器人無法有效的保證將膠塊抓起。而采用真空吸盤形式進行抓膠,由于膠塊表面平整度不均,外形尺寸存在一定差異,在實際應用過程中會出現中途脫落現象,可靠性差。此外,當前市場上的自動化抓膠裝置對粘連膠塊的有效抓取與分離處理都不能找到很好的解決方案。

      1 設計目標

      基于現有技術中存在的人工搬運勞動強度大以及現有搬膠技術自動化程度低、可靠性差的問題,新型機器人自動搬膠系統可有效替代人工,并能夠自動區分膠種。而且抓膠過程不受企業生產工藝及環境溫度影響,可靠程度高,可有效解決自動化搬膠過程中出現的膠塊粘連問題。

      2 裝置設計

      在輪胎企業密煉車間中,由人工叉車將天然膠塊和合成膠塊送至密煉機上料輸送線旁邊,部分企業自動化程度高,可由AGV送至碎膠機自動化生產線旁邊。然后通過機器人自動搬膠裝置將膠塊抓取并放置到密煉機入料輸送線上。機器人自動搬膠裝置主要由機器人、抓具、安全防護系統、圖像識別系統以及控制系統組成。如圖1所示。整個電氣控制系統充分考慮人機的交互功能。系統采用PLC控制方式,PLC的CPU作為整個控制系統的心臟并具有完善的安全連鎖、保險及報警等功能。在生產線的操作側設計有急停開關,此急停開關與密煉機的急停開關組成串聯系統,當出現意外情況可及時停止煉膠設備及機器人的運行。

      圖1 密煉機生產線運行示意圖

      3 系統設備應用

      3.1 系統工作原理

      通過安裝在機器人抓具上的照相測量裝置(包括激光測距裝置)確定待搬運膠塊實際位置并將信息傳給機器人系統,同時通過照相測量裝置確認輸送帶上是否有空位,然后機器人借助抓具將膠塊從托盤移至輸送帶空位上實現膠塊的自動搬運。整個工作區域設置安全欄及安全光柵并通過系統控制實現安全防護。機器人自動搬膠流程如圖2所示。

      圖2 機器人自動搬膠流程圖

      3.2 工作過程

      機器人通過抓具上的激光測距裝置和圖像識別系統鎖定所需搬運的膠塊并通過鋼針或螺桿實現對膠塊的抓取與搬運。對于生產工藝要求膠塊烘膠后進入密煉機的輪胎企業,膠塊或膠塊表面溫度高于0℃時,抓具中電機連接螺桿在油缸作用下,沿著導軌滑塊上移,直至兩側螺桿末端位置處在抓具靠近膠塊表面且不觸碰膠塊的位置。當抓具靠近膠塊時,連桿氣缸帶動鋼針運動,將鋼針插入膠塊中,機器人帶動抓具將膠塊移至密煉機生產線,同時旋轉抓具,保證膠塊按照正確方向放置在密煉機上料輸送帶上方,然后連桿氣缸帶動鋼針收縮,膠塊脫落至密煉機上料輸送帶上。對于生產工藝要求膠塊不經烘膠直接送入密煉機或碎膠機的輪胎企業,由于膠塊硬度較大,抓具移至膠塊上方,同時連桿氣缸收縮,電機帶動螺桿轉動,當抓具移動至膠塊表面時,電機在油缸驅動和導軌滑塊作用下螺桿鉆入膠塊中,當螺桿鉆入2/3膠塊厚度時,油缸停止動作并鎖定位置,夾具在機器人作用下提起并帶動膠塊送至密煉機上料輸送線,電機反轉同時在油缸驅動下,沿導軌滑塊放置膠塊于密煉機上料輸送線上。

      對于鋼叉式模塊工作的特殊情況,當連桿氣缸插入膠塊后,發現膠塊粘連在一起時,螺桿在電機和油缸驅動下鉆入膠塊中,螺桿不斷鉆入,直至鉆通膠塊。在自身重力作用下,膠塊與膠塊之間將會出現間隙,如果膠塊與膠塊之間仍未分離,螺桿繼續在電機和油缸、導軌滑塊作用下鉆入膠塊中,然后螺桿通過電機反轉,并由油缸驅動上移,直至兩膠塊分離,然后抓具在機器人作用下移送至密煉機上料輸送線并按前序步驟放置膠塊。

      對于螺桿模塊工作的特殊情況,當螺桿插入膠塊1后,發現膠塊粘連在一起時,其中電機繼續在油缸驅動和導軌滑塊作用下帶動螺桿鉆入膠塊1,并開始接觸下層膠塊表面,在膠塊自身重力作用下,兩膠塊間將會出現間隙,如果膠塊仍未分離,螺桿繼續在電機和油缸以及導軌滑塊作用下鉆入下層膠塊,然后螺桿在電機驅動下反轉,并由油缸驅動上移,粘連膠塊分離,然后抓具在機器人作用下移送至密煉機上料輸送線并按前序步驟放置膠塊。

      分離過程如圖3所示。

      圖3 黏連膠塊分離過程結構圖

      4 關鍵部件結構設計

      4.1 抓具工作原理

      為可靠抓取膠塊,抓具方案采以兩組氣缸為動力驅動的鋼叉對稱布局,同時另外兩側布置兩組油缸動力驅動的電機螺桿,以適應天然膠和合成膠的抓取應對。兩種不同結構模塊根據生產工藝及環境溫度導致的膠塊硬度進行使用,鋼叉式結構適應于室溫下的合成膠和經烘膠后的膠塊的抓取,電機驅動螺桿式模塊適應于硬度較大的膠塊搬運。抓具抓取膠塊的卸載主要靠抓具上的支架擋板輔助。

      4.2 結構特點

      抓具主要由電機及螺桿、油缸、導軌滑塊、氣缸、鋼針等組成。具體工作過程如圖4所示。抓具包括支架,支架安裝在機械臂上,支架底端設有擋板,該支架上設有推送元件,推送元件為推桿氣缸結構。推送元件伸縮桿安裝有鋼針,推送元件伸縮桿帶動鋼針上下移動。支架還設有滑塊上下滑動的滑臺,滑臺的滑塊安裝有電機,電機主軸連接有螺桿,螺桿底端朝下設置,滑臺為液壓油缸驅動滑臺。鋼針和螺桿底端向內傾斜設置。支架上還設有用于檢測抓具和待搬運膠塊距離的激光測距傳感器以及用于對膠塊圖像監控的圖像傳感器。

      圖4 機器人抓具結構圖

      4 技術優勢

      機器人自動搬膠裝置,通過圖像識別、激光測距裝置確定膠塊的種類與位置,由于自身的彈性變形使得膠塊牢固掛裝在鋼針或螺桿上,然后通過機械臂自動搬運至輸送帶上,實現膠塊自動搬運輸送要求,且在膠塊搬運過程中,膠塊和鋼針(螺或桿)連接穩定,可有效避免脫落,保證穩定搬運要求。通過抓具結構既可適應不同膠種的抓取,又可以處理抓取膠塊過程中出現的膠塊黏連問題。

      圖5 機器人抓具支架結構圖

      5 小結

      機器人自動搬膠系統采用復合式結構組合,主要由氣缸帶動鋼叉和減速電機驅動螺桿對膠料進行抓取,能夠快速辨識膠塊種類與抓取位置,滿足幾何形狀不規則等情況下的制品抓取搬運。機構結構簡單,鋼叉結構提升了對膠料的抓取效率;螺桿結構增大了其與膠料的摩擦系數,解決了硬質膠塊抓取的難題。此搬膠系統可有效協助解決膠塊粘連問題,使得抓取膠料時更加牢固、快捷方便,可有效降低勞動強度,提高工作效率。

      參考文獻:

      [1]范仁德.中國橡膠工業2025的思考(下)[J].中國橡膠,2015,31(23):22~27.

      [2]肖玥. 中國制造2025下我國輪胎制造業中小企業戰略研究[D].北京外國語大學, 2017:1~5.

      [3]杜品圣.德國智能工廠建設路徑[J].中國工業評論, 2016(01):44~54.

      [4]王化平,金麗,徐祖建,等. 一種取料、搬運、沖壓、碼垛一體化的機器人[P]. 湖北:CN108972591A, 2018-12-11.

      [5]黎利華,陳超艷,鐘亮.降低真空吸盤型機械手掉件故障策略探討[J].物流技術, 2019,38(01):130~132+135.


       
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