姚艷萍，姚鑫奇

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

飼料行業(yè)是關(guān)系到人民群眾肉類食品供應(yīng)的民生產(chǎn)業(yè)。隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，飼料供給量在不斷增加。自動(dòng)化飼料生產(chǎn)系統(tǒng)，不僅能節(jié)約勞動(dòng)成本，還能保證各種輔料按要求配比，提高飼料質(zhì)量。本文針對某飼料加工廠輔料存儲(chǔ)間特殊工況，具體分析存儲(chǔ)間布局，采用概念化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種質(zhì)量輕、搬運(yùn)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、滿足該實(shí)際工況需要的輔料箱搬運(yùn)機(jī)器人，從而替代人工搬運(yùn)，提高自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)成本。

1 工況分析

要求以遠(yuǎn)程控制的方式實(shí)現(xiàn)，將輔料箱從存儲(chǔ)間的一角區(qū)域沿固定路線搬運(yùn)到對角區(qū)域，并按要求放置，且在搬運(yùn)過程中輔料箱需經(jīng)過兩次紅外計(jì)量掃描。

1.1 機(jī)器人運(yùn)行路線

存儲(chǔ)間內(nèi)部布局如圖1所示，存放輔料箱的區(qū)域1和輔料箱上生產(chǎn)線的區(qū)域2處于對角位置，區(qū)域2連接輸送機(jī)械。

圖1 存儲(chǔ)間內(nèi)部布局Fig.1 Internal layout of storage compartment

1.2 輔料箱外形特征

輔料箱重2 kg，方形外形，大小為225 mm×172 mm×108 mm，帶吊裝結(jié)構(gòu)，屬于小整理箱，如圖2所示。

圖2 輔料箱外形尺寸Fig.2 External dimensions of auxiliary materials box

2 功能設(shè)計(jì)

要求搬運(yùn)機(jī)器人從區(qū)域1搬取輔料箱，沿線路A運(yùn)行，并從紅外掃描儀I和Ⅱ之間穿過，繼續(xù)沿路B運(yùn)行，并從紅外掃描儀Ⅲ和IV之間穿過，將輔料箱放置于輸送機(jī)上料區(qū)段2，機(jī)器人再原路返回搬取輔料箱，全程自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)無人化輔料箱搬運(yùn)。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)器人取貨裝置

針對輔料箱自帶吊裝帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)械爪式的取貨裝置，該取貨裝置由機(jī)械爪1、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)2、回轉(zhuǎn)盤3、U形爪頭4組成，如圖3所示。機(jī)械爪的截面形式為U型，可以很好的與輔料箱吊裝帶相配合，機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)方式通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成，舵機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉸鏈接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的張開和閉合，可以抓取不同方向上的輔料箱，無需人力去對準(zhǔn)輔料箱的吊裝結(jié)構(gòu)，提高了抓取效率。

圖3 取貨裝置Fig.3 Pickup device

3.2 機(jī)器人升降裝置

升降裝置用來實(shí)現(xiàn)取貨裝置及輔料箱的上下運(yùn)動(dòng)，如圖4所示，采用三角形布置的鋼管，利用三角形的穩(wěn)定性限制升降裝置水平面方向的移動(dòng)，解決了取貨裝置在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)晃動(dòng)的問題，提高了整機(jī)的平穩(wěn)性。取貨裝置的升降通過鋼絲繩的收放來控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1安裝在主梁2上，并在電機(jī)卷筒上繞有鋼絲繩，鋼絲繩一端7與取貨裝置裝置3連接，鋼絲繩另一端6與頂板4相連[1-3]。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)取貨裝置的起升與下放。

圖4 升降裝置Fig.4 Lifting device

3.3 機(jī)器人小車裝置

小車裝置用來實(shí)現(xiàn)取貨裝置的左右運(yùn)動(dòng)，如圖5所示，小車裝置的行走電機(jī)1、卷筒2裝在機(jī)器人橋架的端梁10上，鋼絲繩3和8繞在卷筒2上[4-5]，鋼絲繩的一端3通過安裝在對面端梁上的兩個(gè)定滑輪6與小車的前端5相連，鋼絲繩的另一端8通過定滑輪與小車的后端7相連，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷簡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩一端繞進(jìn)、一端繞出，小車沿機(jī)器人橋架主梁9上的導(dǎo)軌移動(dòng)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和后退，鋼絲繩通過小車梁兩側(cè)的彈簧張緊裝置4進(jìn)行張緊，保證了小車在主梁上準(zhǔn)確定位[6]。

圖5 小車牽引裝置Fig.5 Trolley traction device

小車采用運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性很高平行雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)[7-8]，且升降裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷筒放在小車梁上，如圖6 所示。為增加取貨裝置及輔料箱在起升和下降時(shí)的穩(wěn)定性，利用SCS柱形滑塊與圓柱軸配合使用[9-11]。SCS柱形滑塊呈三角布置，安裝在小車承重板的下邊，用柱形套筒呈三角形布置安裝在承重板的上邊，這樣可以使金屬桿在通過承重板時(shí)增加平穩(wěn)性。

圖6 小車結(jié)構(gòu)Fig.6 Trolley structure

小車采用水平輪導(dǎo)輪，使輪緣與機(jī)器人橋架主梁軌道側(cè)面的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，減少車輪與軌道的磨損[12-14]。

3.4 機(jī)器人行走裝置

行走裝置采用可實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的麥克納姆輪，為了減少空間占有，輪胎的布置使用嵌入式結(jié)構(gòu)，使前后輪的布置不超過車體本身，如圖7所示，并且輪胎的行走設(shè)有微調(diào)模式，可以更好的控制微小距離上的移動(dòng)。

圖7 機(jī)器人行走裝置Fig.7 Robot running gear

3.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由主控模塊、傳感模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及測速模塊組成，通過STM32F103單片機(jī)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的自動(dòng)化操作。編程部分包括，輔料箱外形識(shí)別、顏色識(shí)別、地面灰度檢測、運(yùn)動(dòng)控制等算法，同時(shí)規(guī)劃了搬運(yùn)機(jī)器人的行走路線，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、輔料箱抓取、沿固定線路并通過紅外掃描計(jì)量等一系列動(dòng)作。

3.6 試運(yùn)行結(jié)果

將機(jī)器人橋架3、小車裝置4、升降裝置5采用鉚接的方式組裝，形成如圖8所示的懸臂機(jī)器人，機(jī)器人在不旋轉(zhuǎn)的情況下可以將輔料箱精準(zhǔn)地放置在區(qū)域2的輸送機(jī)上料區(qū)。機(jī)器人橋架內(nèi)部設(shè)有儲(chǔ)物架7，通過升降裝置的升降運(yùn)動(dòng)和小車的橫向運(yùn)動(dòng)，抓取裝置將輔料箱抓起，并放置在機(jī)器人儲(chǔ)物架上，可以一次性裝運(yùn)多個(gè)輔料箱，極大地提升了搬運(yùn)效率。

圖8 機(jī)器人模型圖Fig.8 Robot model

在概念化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制造機(jī)器人樣機(jī)，如圖9所示，樣機(jī)參數(shù)見表1.運(yùn)行樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場測試，該機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，能精準(zhǔn)抓取輔料箱，能按指定路線在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成指令性工作。

圖9 機(jī)器人樣機(jī)Fig.9 Robot prototype

表1 機(jī)器人樣機(jī)參數(shù)

4 強(qiáng)度分析

為使機(jī)器人能安全可靠的運(yùn)行，對機(jī)器人橋架的主梁部分進(jìn)行ANSYS靜力學(xué)仿真研究，得到機(jī)器人搬運(yùn)輔料箱時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在橋架主梁的中間部分，最大值為2.759 MPa，最大形變發(fā)生在橋架主梁的中間部分，最大值為0.004 mm，如圖11所示。機(jī)器人搬運(yùn)輔料箱時(shí)，橋架主梁滿足強(qiáng)度和剛度要求。

圖10 主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.10 Stress diagram of main girder

圖11 主梁結(jié)構(gòu)形變圖Fig.11 Structural deformation diagram of main girder

5 結(jié)論

為滿足飼料加工廠輔料存儲(chǔ)間特殊工況，通過概念化設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)并配置機(jī)器人取貨裝置、升降裝置、小車運(yùn)行裝置、機(jī)器人運(yùn)行裝置，并對機(jī)器人橋架主梁進(jìn)行有限元分析，在此基礎(chǔ)上制造機(jī)器人樣機(jī)，經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行測試，該機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，能精準(zhǔn)抓取輔料箱，能按指定路線在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成指令性工作。

該機(jī)器人代替人工和其他搬運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了輔料箱的高效搬運(yùn)，證明該設(shè)計(jì)方案的可行性，提高了飼料加工廠的自動(dòng)化作業(yè)程度，降低了勞動(dòng)成本，為特殊工況小型搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新思路。