高浩杰 陆光铭 东莞理工学院机械工程学院 黎梓恒 曾志彬 吴国洪 东莞市横沥模具科技产业发展有限公司

1 前言

包装作为生产的最后一道大工序，面临着多种加工的技术要求，包括把产品整齐地装箱，从而在企业中往往需要安排较多的员工在该环节。为了提高生产效率，有些产品会呈阵列形式放置从而被加工，但是，由于加工的技术要求，需要让这些产品相隔一定的距离，加工完成之后这些产品将要装箱，然而为了减小包装的空间，在装箱的过程中需要对相邻产品间的间距进行调整。现有的方法通常是采用人工的方式进行装箱，这严重影响了装箱的效率，同时也会增加企业的用工成本；也有些企业采用铰链机构实现调整产品间距可有效代替人工，但是相关铰链机构的复杂性让该设计与加工增加了难度，同时也增加了加工成本。若利用一种自动包装生产线来替代人工，预测不仅可以降低人力成本，而且可以提高作业效率，保证作业精准度。自动化包装生产线是将自动包装机、辅助设备以及输送装置根据产品包装工艺，按一定的排序组合，再配以相应的检测、控制、自动调整补偿装置等组成。包装物品由一端不断送入，包装材料在相应的工位加入，物品按工艺流程顺序经过各工序，产品从另一端输出，使物品在无需人工直接参与操作的情况下自动完成输送、包装的全过程。自动化包装生产线的辅助设备扮演着重要角色。

针对以上问题，本文提出了智能调节产品间距的系统的开发的方案，大致为利用无杆气缸带动机械手在水平方向移动，双杆气缸带动机械手在竖直方向移动，再利用四个行程分别相差10mm的双杆气缸的配合动作实现调节机械手的抓取间距。可调抓取间距机械手将作为自动化包装生产线的辅助设备，下文将具体从机构设计方面与软件系统搭建方面进行阐述。

2 硬件平台设计

本文所设计的机械手结构如图1所示，包括有连接组件、驱动件、传动件、执行件和限位件。机械手的连接组件包括有底板、立板、肋板、横梁、X轴载板、Z轴载板Ⅰ、Z轴载板Ⅱ、气嘴固定件。机械手的驱动件包括有无杆气缸、气缸Ⅰ、气缸Ⅱ、气缸Ⅲ、气缸Ⅳ、气缸Ⅴ。机械手的传动件包括有导轨、滑块、带滑块的光轴。机械手的执行件包括有气嘴Ⅰ、气嘴Ⅱ、气嘴Ⅲ、气嘴Ⅳ、气嘴Ⅴ。机械手的限位件包括有限位件、缓冲器。

如图1左右两端所示，底板、立板和肋板两两垂直设置，底板、立板和肋板组成的结构体左右对称设置，中间设置了横梁形成龙门式结构。无杆气缸设置在龙门式结构的上方，特指横梁的上方，利用无杆气缸驱动机械手的X轴移动，稳定性比较高。导轨和与之配套的滑块设置在横梁的前表面，并且导轨是水平设置，X轴载板设置在无杆气缸的杆体的前表面，并连接于导轨滑块的前表面，即为X轴载板在竖直面上同时连接了无杆气缸的杆体和导轨滑块。气缸Ⅰ设置在X轴载板的前表面，用于驱动机械手的上下移。Z轴载板Ⅰ设置在无杆气缸的杆体的上表面，Z轴载板Ⅰ呈凸字型。Z轴载板Ⅱ设置在气缸Ⅰ的杆体的下表面，Z轴载板Ⅰ与Z轴载板Ⅱ之间设置了左右对称的带滑块的光轴，当气缸Ⅰ动作时，Z轴载板Ⅱ和光轴一起相对于Z轴载板Ⅰ发生上下运动。气缸Ⅱ设置在Z轴载板Ⅱ的左半部分的右上角；气缸Ⅲ设置在Z轴载板Ⅱ的左半部分的左下角；气缸Ⅳ设置在Z轴载板Ⅱ的右半部分的左上角；气缸Ⅴ设置在Z轴载板Ⅱ的右半部分的右下角，气缸Ⅲ、气缸Ⅱ、气缸Ⅳ、气缸Ⅴ的形成依次减少10mm。气嘴固定件四个分别设置在Z轴载板Ⅱ的上方，分别与气缸Ⅱ、气缸Ⅲ、气缸Ⅳ、气缸Ⅴ的杆体连接，气嘴固定件的样式为长方体；气嘴Ⅰ、气嘴Ⅱ、气嘴Ⅲ、气嘴Ⅳ、气嘴Ⅴ从左到右分别设置在五个气嘴固定件的末端，即Z轴载板Ⅱ的正前方，特别说明，当气缸Ⅱ、气缸Ⅲ处于伸展的状态，同时气缸Ⅳ、气缸Ⅴ处于不伸展的状态时，五个气嘴固定件刚好依次接触；当气缸Ⅱ、气缸Ⅲ处于不伸展的状态，同时气缸Ⅳ、气缸Ⅴ处于伸展的状态时，五个气嘴固定件的间隔均增大10mm。限位件设置在五个气嘴固定件的上方，用于辅助导向五个气嘴固定件在水平方向移动；缓冲器有两个，分设置在两块立板的内表面，用于限定机械手在水平方向的运动范围。

图1 硬件结构设计图

本文所设计的机械手的运动方式为，在水平方向设置的无杆气缸带动执行件（气嘴）在水平方向来回移动，其中左右的极限即为两个缓冲器的位置。在竖直方向上设置的气缸Ⅰ带动执行件（气嘴）在竖直方向来回移动；气缸Ⅱ、气缸Ⅲ、气缸Ⅳ与气缸Ⅴ之间的动作配合能调节五个气嘴之间的距离，即调节抓取的距离。当气缸Ⅱ、气缸Ⅲ处于不伸展的状态，同时气缸Ⅳ、气缸Ⅴ处于伸展的状态，此时五个气嘴的间距处于较大的状态；当气缸Ⅱ、气缸Ⅲ处于伸展的状态，同时气缸Ⅳ、气缸Ⅴ处于不伸展的状态，此时五个气嘴的间距处于较小的状态，如此通过改变气缸Ⅱ、气缸Ⅲ、气缸Ⅳ、气缸Ⅴ的通气方式即可调节机械手的抓取间距。

3 结语

本文所做的工作总结如下，根据功能的要求对机械手进行了结构设计，本文所设计的机械手利用一个无杆气缸实现在X轴上水平移动、利用一个双轴气缸实现在Z轴上竖直移动，利用四个行程形成等差数列的直线气缸，即可实现机械手在抓取产品的过程中自动调整产品间距的功能，控制方式简单，有利于工人快速上手操作。可调抓取间距机械手能作为自动化包装生产线的辅助设备，有助于提高作业效率，保证作业精准度，自动调整产品间距并完成装箱，具有良好的效益。