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      基于高柔性夾爪的拆垛機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用

      2024-08-05 00:00:00李雪娥覃瑞
      汽車與駕駛維修(維修版) 2024年7期

      關(guān)鍵詞:拆垛;高柔性;機(jī)器人;夾爪

      中圖分類號:TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

      0引言

      隨著傳感器技術(shù)、視覺技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和信息技術(shù)的日益成熟與應(yīng)用,以自動化、智能化、信息化和數(shù)字化為代表的智能制造技術(shù)在各大企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。且隨著社會老齡化加劇,勞動成本大幅提高,社會勞動力短缺,高自動化生產(chǎn)成了一種必然[2]。2020年疫情的暴發(fā),企業(yè)更深刻地意識到人員不穩(wěn)定性,招人難、留人難,人工成本也在不斷上升。物流作為服務(wù)端,因此不斷探索智能化設(shè)備在制造物流業(yè)的應(yīng)用場景,取代傳統(tǒng)人工操作,提升運(yùn)作效率,迫在眉睫。

      本司變速器物流集配中心小件物料共有約380種零件(含選裝件),供應(yīng)商到貨時(shí)均是整托到貨,整托裝卸。入庫后整托存儲在標(biāo)準(zhǔn)立體庫,根據(jù)產(chǎn)線需求,定時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)立體庫下料,并進(jìn)行人工拆垛后補(bǔ)料至小件潔凈區(qū)緩存。拆垛環(huán)節(jié)配置有2名專職操作工,為了節(jié)約立體庫的能耗,立體庫下料并非實(shí)時(shí),而是設(shè)定了時(shí)間周期約4~6h作業(yè)一次,拆垛員工在作業(yè)時(shí)忙,非作業(yè)周期時(shí)則空閑,人工作業(yè)不均衡。

      而且,工廠要求的塑料周轉(zhuǎn)箱均帶蓋子,尺寸規(guī)格共5種,滿載后單箱重量≤15kg。如表1所示,因不同供應(yīng)商制作或采購的規(guī)格一致性低,尺寸、外觀和把手均有差異,料箱超高、把手過窄差異明顯,導(dǎo)致現(xiàn)場實(shí)際規(guī)格有30種,人工長時(shí)間拆垛勞動強(qiáng)度、難度大。

      因此,本司決定設(shè)計(jì)一款自動拆垛機(jī)器人,取代傳統(tǒng)的人工拆垛模式。對于該機(jī)器人產(chǎn)品有如下功能需求。

      (1)實(shí)現(xiàn)小件整托物料的自動拆垛,且兼容全部規(guī)格塑料周轉(zhuǎn)箱的拆垛。

      (2)節(jié)約物流拆垛人員2名/班次,降低物流運(yùn)作成本。

      (3)滿足緩存區(qū)補(bǔ)料及產(chǎn)線生產(chǎn)需求,不停線。

      1拆垛流程及節(jié)拍分析

      1.1拆垛業(yè)務(wù)流程

      (1)拆垛機(jī)器人與立體庫采用PLC交互:立體庫傳遞下料及下料到位信號、托盤碼、箱型給機(jī)器人,機(jī)器人取的箱數(shù)信息回傳給立體庫做庫存扣減、將回托號傳遞給立體庫,立體庫判斷托盤是否為空,空托盤返回碟盤機(jī),非空托盤返回立體庫(圖1)。

      (2)機(jī)器人與輸送線PLC交互:輸送線滿位不能放料出現(xiàn)異常的情況,輸送線傳遞給機(jī)器人,否則機(jī)器人無異常情況會持續(xù)執(zhí)行抓料、放料的動作。

      (3)分揀道口裝有視覺讀碼器,對托盤二維碼進(jìn)行掃碼確認(rèn)托盤信息并與立庫輸入信息進(jìn)行比對。

      (4)要求機(jī)器人可抓取帶蓋的塑料周轉(zhuǎn)箱、紙箱和不帶蓋的塑料周轉(zhuǎn)箱。

      1.2拆垛節(jié)拍分析

      出庫位有A/B兩個(gè),左右分布,對應(yīng)兩條輸送線。機(jī)器人拆垛時(shí)的具體過程如下。

      (1)機(jī)器人啟動。

      (2)系統(tǒng)對物料進(jìn)行掃碼。

      (3)視覺系統(tǒng)對物料進(jìn)行識別。

      (4)機(jī)器人從零點(diǎn)移動至取料最低點(diǎn)。

      (5)機(jī)器人抓手夾緊料箱

      (6)機(jī)器人回到原點(diǎn)。

      (7)機(jī)器人帶料箱移動至輸送線放件點(diǎn)。

      (8)機(jī)器人夾爪打開。

      (9)機(jī)器人回到原位。

      分析機(jī)器人拆垛的過程,需要考慮以下3種常規(guī)情形。

      (1)拆垛工作啟動,其中一個(gè)庫位開始運(yùn)行,這時(shí),視覺、讀碼不能與機(jī)器人運(yùn)動同時(shí)進(jìn)行,機(jī)器人有5.0s的等待時(shí)間。

      (2)啟動后,繼續(xù)從該庫位取料的話,視覺、讀碼可以與機(jī)器人動作并行,其運(yùn)行時(shí)間被覆蓋,不算在節(jié)拍內(nèi)。

      (3)啟動后,另一個(gè)庫位開始運(yùn)行,與上一種情形同理。

      因此,機(jī)器人拆垛一次時(shí)間為20.0s(初次啟動為25.0s),100%效率180件/h。按照變速器小件物料流量,投入1套拆垛機(jī)器人可滿足生產(chǎn)需求(圖2)。

      1.3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

      基于工藝流程,執(zhí)行設(shè)備由機(jī)器人、視覺和PLC控制共同組成,其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

      2拆垛機(jī)器人設(shè)計(jì)

      根據(jù)拆垛需求,拆垛機(jī)器人布局在立體庫下料點(diǎn),同時(shí)考慮節(jié)拍的提升,還預(yù)留有另外一臺的安裝位置,確保機(jī)器人可擴(kuò)展性。

      2.1機(jī)器人設(shè)備選型

      2.1.1視覺設(shè)備選型

      選用兩臺3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)對物料進(jìn)行識別,引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓

      取拆垛。標(biāo)準(zhǔn)垛型的外形尺寸1200mm×1000mm×1100mm,視覺相機(jī)的視野及工作距離需要滿足相關(guān)尺寸要求。視覺系統(tǒng)的識別精度達(dá)到±3mm,單循環(huán)視覺系統(tǒng)的工作時(shí)間≤5.0s。

      視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確識別料箱規(guī)格和空間姿態(tài),依托點(diǎn)云精定位算法、機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法,識別時(shí)間1.5s、引導(dǎo)精度達(dá)±2mm。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速、精準(zhǔn)抓取料箱。視覺系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表2所示,覆蓋視野如圖4所示。

      2.1.2機(jī)器人夾爪設(shè)計(jì)

      高柔性夾爪采用雙伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動,同時(shí)輔以防傾斜裝置。抓取方式采用對邊抓取,可兼容5大類30個(gè)規(guī)格的料箱抓取,確保在搬運(yùn)過程中箱內(nèi)物品不發(fā)生位移損傷零件質(zhì)量。

      夾爪裝置包括機(jī)架、夾爪機(jī)構(gòu)、料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和機(jī)器人視覺系統(tǒng)。機(jī)架安裝在拆垛機(jī)器人的末端,夾爪機(jī)構(gòu)、料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和機(jī)器人視覺系統(tǒng)分別安裝在機(jī)架上。夾爪機(jī)構(gòu)有2個(gè)并左右對稱設(shè)置,夾持機(jī)構(gòu)包括夾爪、電機(jī)和絲杠副;絲杠副包括螺桿和安裝在螺桿上的絲杠螺母。電機(jī)固定在機(jī)架上,電機(jī)與絲杠副的螺桿連接,絲杠副的絲杠螺母與夾爪固定連接。料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括氣缸、氣缸固定板和料箱穩(wěn)定塊,氣缸固定板固定在夾爪上;氣缸固定在氣缸固定板上,氣缸的活塞桿與所述料箱穩(wěn)定塊連接(圖5)。

      (1)機(jī)架1安裝在拆垛機(jī)器人的末端,拆垛機(jī)器人可以是六軸拆垛機(jī)器人。夾爪機(jī)構(gòu)、料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和機(jī)器人視覺系統(tǒng)分別安裝在機(jī)架上。

      (2)夾爪機(jī)構(gòu)有2個(gè)并左右對稱設(shè)置。夾持機(jī)構(gòu)包括夾爪、電機(jī)和絲杠副;絲杠副包括螺桿和安裝在螺桿上的絲杠螺母。電機(jī)固定在機(jī)架上,電機(jī)與絲杠副采用螺桿連接,絲杠副的絲杠螺母與夾爪固定連接。

      (3)左右2個(gè)夾爪用于夾緊料箱,可通過電機(jī)驅(qū)動左右2個(gè)夾爪進(jìn)行開合,實(shí)現(xiàn)精確定位和精確控制。

      (4)料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括氣缸、氣缸固定板和料箱穩(wěn)定塊。氣缸固定板固定在夾爪上,氣缸固定在氣缸固定板上,氣缸的活塞桿與料箱穩(wěn)定塊連接。料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)安裝在夾爪上,跟隨夾爪左右平移。氣缸用于驅(qū)動料箱穩(wěn)定塊頂出,以頂緊在料箱上,解決了料箱夾取移動過程中因料箱重心傾斜而導(dǎo)致料箱掉落的問題,使得料箱移動過程更加安全可靠。

      (5)夾爪上安裝在夾爪安裝板上,夾爪安裝板與氣缸固定板固定連接。

      (6)電機(jī)可以優(yōu)選為伺服電機(jī)。夾爪的運(yùn)動方向與所述料箱穩(wěn)定塊的運(yùn)動方向相垂直,即絲杠副沿橫向布置,而氣缸沿縱向布置。夾爪從左右方向夾緊在料箱的左右兩側(cè),而料箱穩(wěn)定塊則從料箱的后面頂緊。

      (7)料箱穩(wěn)定塊位于左右2個(gè)夾爪之間,夾爪的末端設(shè)有L型夾頭。L型夾頭可以限制料箱的前側(cè),而料箱穩(wěn)定塊則拴緊在料箱的后側(cè),L型夾頭與料箱穩(wěn)定塊可以從前后方向共同夾緊料箱。

      2.1.3夾爪裝置的工作原理

      當(dāng)待拆垛托盤運(yùn)行到指定位置后,機(jī)器人視覺系統(tǒng)對托盤進(jìn)行拍照,識別垛型、料箱箱型和位置等信息。識別完成后,視覺系統(tǒng)將相應(yīng)信息傳給PLC,PLC會根據(jù)夾爪當(dāng)前的位置、速度等信息,以及預(yù)設(shè)的夾爪軌跡和目標(biāo)位置,計(jì)算出需要調(diào)整的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和絲杠傳動比,然后調(diào)用機(jī)器人進(jìn)行抓取動作。在抓取料箱前,夾爪機(jī)構(gòu)的初始位置是打開的極限最大位置。夾爪到達(dá)指定位置后,由電機(jī)驅(qū)動,通過絲杠副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為夾爪閉合的直線運(yùn)動,并經(jīng)過2次關(guān)夾,將料箱夾住。同時(shí),氣缸的活塞桿伸出,帶動料箱穩(wěn)定塊壓住料箱頂面,讓料箱在運(yùn)動過程中保持穩(wěn)定。

      待拆垛機(jī)器人帶動夾爪機(jī)構(gòu)移動到目標(biāo)位置后,由電機(jī)驅(qū)動,通過絲杠副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為夾爪打開的直線運(yùn)動,經(jīng)過2次開夾,將料箱松開。同時(shí),氣缸的活塞桿復(fù)位,帶動料箱穩(wěn)定塊回到原點(diǎn)位置,夾爪機(jī)構(gòu)與料箱徹底分開。隨后等待拆垛機(jī)器人帶著夾爪機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn),完成一個(gè)工作循環(huán),等待一個(gè)任務(wù)指令。

      通過上述設(shè)計(jì),可通過左右對稱設(shè)置的2個(gè)夾爪機(jī)構(gòu)夾緊料箱,再通過跟隨夾爪左右平移的料箱穩(wěn)定機(jī)構(gòu)頂緊在料箱上,以穩(wěn)定地抓取料箱。拆垛機(jī)器人不使用吸盤方式,降低了對系統(tǒng)的氣密性要求,解決了料箱夾取移動過程中因料箱重心傾斜而導(dǎo)致料箱掉落的問題,使得料箱移動過程更加安全可靠。

      2.2垛型擺放要求

      單托物料碼垛時(shí)需要預(yù)留一定的空隙,供拆垛機(jī)器人夾爪抓取物料(圖6)。

      (1)TA箱:采用“4+2+2+4”擺放方式。單層擺放箱數(shù)12箱,縱向空間擺放4箱,共4列,其中中間兩列料箱橫放各2箱,托盤最中間位置預(yù)留空隙,外側(cè)兩列料箱豎放4箱。

      (2)TB/TC箱:采用“3+2+3”擺放方式。單層擺放8箱,縱向空間擺放3箱,共3列,其中中間兩列料箱豎放1箱,托盤最中間位置預(yù)留空隙,外側(cè)兩列料箱橫放3箱。

      (3)TD/TH箱:采用“1+2”擺放方式。單層擺放3箱,縱向空間擺放3箱,共2列,外側(cè)預(yù)留空隙。

      3效益分析

      投入1套拆垛機(jī)器人后,高柔性夾爪設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全部小件塑料周轉(zhuǎn)箱規(guī)格的自動拆垛,拆垛效率提升約20%,滿足產(chǎn)線生產(chǎn)需求,且雙班次節(jié)約2人×2班次=4名拆垛員工,降低物流成本約24萬元/年,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

      4推廣價(jià)值

      機(jī)器人技術(shù)發(fā)展越來越成熟,但應(yīng)用在制造物流行業(yè)并不算廣泛,本文敘述的自動拆垛機(jī)器人已經(jīng)實(shí)際投入使用一年多,生產(chǎn)節(jié)拍、穩(wěn)定性和兼容性均達(dá)到工廠使用要求,降本增效明顯。夾爪設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的難點(diǎn),從最初的5種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格設(shè)計(jì)到覆蓋小件30種塑料周轉(zhuǎn)箱規(guī)格,達(dá)到高柔性的兼容設(shè)計(jì)。

      高柔性拆垛機(jī)器人對汽車及汽車零部件行業(yè)托盤化供貨的小件具有很高的推廣價(jià)值。從供應(yīng)鏈角度來看,小件物料的包裝基于循環(huán)使用會投入多規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化的塑料周轉(zhuǎn)箱,且為提升小件供貨裝卸效率,大部分零部件供應(yīng)商會使用托盤化的方式存儲、運(yùn)輸,配送到客戶后,均會存在拆垛的操作,拆垛機(jī)器人高柔性的夾爪設(shè)計(jì),恰好適用于這類場景,取代傳統(tǒng)的人工拆垛模式。逆向思考,在供應(yīng)商碼垛端,是拆垛的反向操作,同樣適用,取代傳統(tǒng)的人工碼垛模式。應(yīng)用的場景越多,效益就越可觀。

      5結(jié)束語

      隨著無人機(jī)、無人倉和無人駕駛等的出現(xiàn)[3],更多自動化、智能化設(shè)備的使用,物流行業(yè)正在從勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變[4]。配套使用高柔性夾爪的拆垛機(jī)器人可覆蓋物流更多環(huán)節(jié)的自動化,從而實(shí)現(xiàn)物流全流程的自動化、無人化,將智慧物流的發(fā)展又向前推進(jìn)一步[5]。

      作者簡介:

      李雪娥,本科,工程師,研究方向?yàn)槲锪饕?guī)劃及包裝。

      覃瑞,本科,工程師,研究方向?yàn)槲锪鳌⑽锪弦?guī)劃及包裝。

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