機器人鋼桶壓蓋機設計

岳翠萍，劉新樂，馮 巍，段文軍

（北京強度環境研究所，北京 100076）

摘要：軍用級鋼桶裝潤滑油需在潔凈間完成壓蓋生產，盡量減少污染物的排放，且對生產速度有較高要求，為此研發了機器人壓蓋機，該設備由機器人系統、蓋輸送系統、桶輸送系統及控制系統組成。探討了壓蓋頭工具的結構、系統的控制流程及關鍵部件的控制方法。

關鍵詞：機器人；壓蓋機；壓蓋頭結構；控制系統

1 系統組成

本系統的灌裝物料為航空發動機油，整個灌裝壓蓋過程在潔凈間完成，采用機器人代替人工，可以減少污染物。設備系統所有氣動驅動均將排氣收集集中排出到潔凈室外，采用潔凈氣缸，減小對灌裝物料的污染，其他部件和結構也均做特殊考慮和處理，盡最大限度減少對潔凈室的污染。我們采用鋼桶進行灌裝，塑料桶蓋進行密封，根據需求采用8頭直線灌裝機，并設計出相應的機器人壓蓋機。該壓蓋機適合用于直線式灌裝機，不適用于旋轉式連續出桶的灌裝機。

1.1 整機結構

機器人壓蓋機主要由機器人系統、蓋輸送系統、桶輸送系統及控制系統組成，如圖1 所示，機器人系統包括庫卡機器人、機器人壓蓋工具；蓋輸送系統包括振動式理蓋機、蓋輸送皮帶、分蓋氣缸、擋蓋氣缸；桶輸送系統包括桶輸送板鏈、前擋桶器、后擋桶器、桶身平擋板、桶身定位擋板。控制系統由機器人控制系統和PLC控制系統組成。

圖1?整體機器人壓蓋機組

1- 后擋桶器；2- 壓蓋工具；3-KUKA 機器人；4- 平擋板；5- 桶輸送板鏈線；6- 振動理蓋機；7- 分蓋氣缸；8- 蓋輸送線；9- 擋蓋氣缸；10- 桶身卡具；11- 前擋桶器

灌裝機灌裝完成的鋼桶出來后，減速光電感測到桶，桶輸送板鏈開始減速，前擋桶器伸出，8個桶都到位后，后擋桶器伸出，桶身平擋板、桶身定位擋板伸出。機器人工具有4 個壓蓋氣缸，灌裝機一次出來8 桶，機器人分兩次完成壓蓋，先取4 個蓋，壓前4 桶，再取4 個蓋，壓后4 桶，完成后桶身平擋板、桶身定位擋板縮回，前擋桶器縮回，桶進入裹包機進行下個工位動作。

1.2 主要關鍵部件

根據機器人壓蓋工具重量及運動范圍，選擇KR60-3 庫卡機器人，該機承載能力：60kg，最大工作范圍：2033mm，軸數：6，防護等級：本體IP65，電氣IP65，重復精確度：0.06 mm。

桶蓋如圖2中8為帶橡膠的桶蓋，根據桶蓋形狀，設計出機器人壓蓋工具，壓蓋體由氣缸連接板與鋁型材固定，位置可調；外套桶裝在壓蓋氣缸的伸縮桿上，中間裝有真空吸盤組件（彈簧緩沖支桿和波紋吸盤），用定位螺釘將真空吸盤組件與外套桶固定。一共4 組壓蓋體，均布在鋁型材上，中間由法蘭盤與機器人法蘭固定。理蓋機的出蓋速度為2500 個/h。桶輸送板鏈由變頻器控制，變頻器的減速時間設定為0.1 s，保證桶能夠平穩輸送，防止液體濺出。

根據桶型設計出桶定位板，保證桶的位置準確；根據桶蓋的形狀，設計出斜口擋蓋導向板，保證取蓋位置準確，滿足這兩點就可以大大提高機器人的壓蓋率。

圖2 機器人壓蓋頭工作結構

1- 壓蓋氣缸；2- 氣缸連接板；3- 壓蓋體；4- 外套桶；5- 定位螺釘；6- 緩沖支桿；7- 波紋吸盤；8- 帶橡膠的桶蓋

2 控制系統

控制系統由機器人控制系統和PLC 控制系統組成。機器人控制系統與PLC 控制系統之間通過IO，進行信息交互。

2.1 機器人控制系統

機器人控制流程如圖3 所示，機器人啟動后從HOME 點運動到取蓋位置上方等待，等到PLC發出蓋準備好信號，即機器人下去取蓋，到位后打開真空發生器，收到真空度信號，機器人去前4 桶的壓蓋位置上方等待；得到桶準備好信號，壓蓋頭氣缸下插，同時關閉真空發生器；延時1s 壓蓋頭氣缸縮回，回到取蓋位置上方等待取蓋，取完蓋后直接去后4 桶位置壓蓋，氣缸縮回同時向PLC 發出壓蓋完成信號。

圖3 機器人流程圖

2.2 PLC 控制系統

PLC 控制流程如圖4 所示，按下啟動按鈕后，啟動理蓋機、皮帶輸送機及板鏈線。兩組分蓋氣缸用一個電磁閥控制，前分蓋氣缸伸出，后分蓋氣缸縮回，調節氣缸的節流閥，保證每組氣缸的伸縮速度一致，而且讓前分蓋氣缸縮回速度慢于后分蓋氣缸的伸出速度，前分蓋氣缸的伸出速度快于分蓋氣缸的縮回速度。各擋蓋氣缸光電感測到蓋子判斷后面位置有沒有蓋，有的話就伸出，沒有就不動作，把蓋放到后面去。4 個擋蓋位均有蓋后，給機器人發送蓋準備好信號，機器人取走蓋后，判斷擋蓋位四個傳感器是否都無信號，說明蓋被全部取走，繼續放蓋，若有蓋未被取走，則放掉未取走的蓋后，再繼續放蓋。

按下啟動按鈕，后擋桶擋上，前擋桶打開，等待壓蓋位沒有桶后，前擋桶擋上，后擋桶打開，桶到減速位后，板鏈開始減速， 到壓蓋位，后擋桶擋上，板鏈停止，前后抱桶器抱桶，給機器人發送桶準備好信號。

圖4 PLC 流程圖

2.3 分蓋時間的計算

分蓋的時間很關鍵，既要滿足能夠順利分開理出來的桶蓋，又需要將分蓋的時間縮短至最短，使得蓋到位能夠達到最快。氣缸行程s=20 mm，使用活塞速度10~500 mm/s，按最快速500 mm/s計算，分蓋氣缸的最快動作時間t3=20/500=0.04 s，加上節流閥后，速度可調，但會低于此速度，即時間會加長。

8 頭灌裝主機的速度v ≥ 1200 桶/h，即每個節拍t=8°?3600/v ≤ 24 s。因為每個灌裝節拍需要取蓋壓蓋兩次，所以蓋輸送周期t2=t/2 ≤ 12 s。蓋的間距和桶的長度一樣，即l=171mm，從分蓋到末端第4 個蓋的總長L=656 mm。有蓋輸送皮帶速度

選擇皮帶電機功率為200 W、轉速n=1300 r/min，減速比i=20，輪盤直徑D=60 mm。有皮帶線速度

滿足條件（1）。

整個流程里每次放蓋的延時時間T=t1+t2+2t3，程序里的放蓋延時時間為Δt=t1+t2，有

即Δt<0.78 s，即PLC 程序里的延時小于780ms，而氣缸的速度會低于最快速，此延時時間會更小。

3 結束語

機器人壓蓋機對不同蓋的適應性較強，只需要更換壓蓋工具，就可以適應于不同廠家的要求，比如蓋的形狀不同，大小不同，甚至是結構形式的不同，或者是旋轉式上蓋，只要設計出相應的工具頭，就可以實現，靈活方便地壓蓋。機器人壓蓋機提高了客戶的勞動生產率，降低了勞動強度，但是成本還是相對較高，未來機器人成本降低了以后，會大大促進機器人在此領域的應用。