机器人钢桶压盖机设计

岳翠萍，刘新乐，冯 巍，段文军

（北京强度环境研究所，北京 100076）

摘要：军用级钢桶装润滑油需在洁净间完成压盖生产，尽量减少污染物的排放，且对生产速度有较高要求，为此研发了机器人压盖机，该设备由机器人系统、盖输送系统、桶输送系统及控制系统组成。探讨了压盖头工具的结构、系统的控制流程及关键部件的控制方法。

关键词：机器人；压盖机；压盖头结构；控制系统

1 系统组成

本系统的灌装物料为航空发动机油，整个灌装压盖过程在洁净间完成，采用机器人代替人工，可以减少污染物。设备系统所有气动驱动均将排气收集集中排出到洁净室外，采用洁净气缸，减小对灌装物料的污染，其他部件和结构也均做特殊考虑和处理，尽最大限度减少对洁净室的污染。我们采用钢桶进行灌装，塑料桶盖进行密封，根据需求采用8头直线灌装机，并设计出相应的机器人压盖机。该压盖机适合用于直线式灌装机，不适用于旋转式连续出桶的灌装机。

1.1 整机结构

机器人压盖机主要由机器人系统、盖输送系统、桶输送系统及控制系统组成，如图1 所示，机器人系统包括库卡机器人、机器人压盖工具；盖输送系统包括振动式理盖机、盖输送皮带、分盖气缸、挡盖气缸；桶输送系统包括桶输送板链、前挡桶器、后挡桶器、桶身平挡板、桶身定位挡板。控制系统由机器人控制系统和PLC控制系统组成。

图1 整体机器人压盖机组

1- 后挡桶器；2- 压盖工具；3-KUKA 机器人；4- 平挡板；5- 桶输送板链线；6- 振动理盖机；7- 分盖气缸；8- 盖输送线；9- 挡盖气缸；10- 桶身卡具；11- 前挡桶器

灌装机灌装完成的钢桶出来后，减速光电感测到桶，桶输送板链开始减速，前挡桶器伸出，8个桶都到位后，后挡桶器伸出，桶身平挡板、桶身定位挡板伸出。机器人工具有4 个压盖气缸，灌装机一次出来8 桶，机器人分两次完成压盖，先取4 个盖，压前4 桶，再取4 个盖，压后4 桶，完成后桶身平挡板、桶身定位挡板缩回，前挡桶器缩回，桶进入裹包机进行下个工位动作。

1.2 主要关键部件

根据机器人压盖工具重量及运动范围，选择KR60-3 库卡机器人，该机承载能力：60kg，最大工作范围：2033mm，轴数：6，防护等级：本体IP65，电气IP65，重复精确度：0.06 mm。

桶盖如图2中8为带橡胶的桶盖，根据桶盖形状，设计出机器人压盖工具，压盖体由气缸连接板与铝型材固定，位置可调；外套桶装在压盖气缸的伸缩杆上，中间装有真空吸盘组件（弹簧缓冲支杆和波纹吸盘），用定位螺钉将真空吸盘组件与外套桶固定。一共4 组压盖体，均布在铝型材上，中间由法兰盘与机器人法兰固定。理盖机的出盖速度为2500 个/h。桶输送板链由变频器控制，变频器的减速时间设定为0.1 s，保证桶能够平稳输送，防止液体溅出。

根据桶型设计出桶定位板，保证桶的位置准确；根据桶盖的形状，设计出斜口挡盖导向板，保证取盖位置准确，满足这两点就可以大大提高机器人的压盖率。

图2 机器人压盖头工作结构

1- 压盖气缸；2- 气缸连接板；3- 压盖体；4- 外套桶；5- 定位螺钉；6- 缓冲支杆；7- 波纹吸盘；8- 带橡胶的桶盖

2 控制系统

控制系统由机器人控制系统和PLC 控制系统组成。机器人控制系统与PLC 控制系统之间通过IO，进行信息交互。

2.1 机器人控制系统

机器人控制流程如图3 所示，机器人启动后从HOME 点运动到取盖位置上方等待，等到PLC发出盖准备好信号，即机器人下去取盖，到位后打开真空发生器，收到真空度信号，机器人去前4 桶的压盖位置上方等待；得到桶准备好信号，压盖头气缸下插，同时关闭真空发生器；延时1s 压盖头气缸缩回，回到取盖位置上方等待取盖，取完盖后直接去后4 桶位置压盖，气缸缩回同时向PLC 发出压盖完成信号。

图3 机器人流程图

2.2 PLC 控制系统

PLC 控制流程如图4 所示，按下启动按钮后，启动理盖机、皮带输送机及板链线。两组分盖气缸用一个电磁阀控制，前分盖气缸伸出，后分盖气缸缩回，调节气缸的节流阀，保证每组气缸的伸缩速度一致，而且让前分盖气缸缩回速度慢于后分盖气缸的伸出速度，前分盖气缸的伸出速度快于分盖气缸的缩回速度。各挡盖气缸光电感测到盖子判断后面位置有没有盖，有的话就伸出，没有就不动作，把盖放到后面去。4 个挡盖位均有盖后，给机器人发送盖准备好信号，机器人取走盖后，判断挡盖位四个传感器是否都无信号，说明盖被全部取走，继续放盖，若有盖未被取走，则放掉未取走的盖后，再继续放盖。

按下启动按钮，后挡桶挡上，前挡桶打开，等待压盖位没有桶后，前挡桶挡上，后挡桶打开，桶到减速位后，板链开始减速， 到压盖位，后挡桶挡上，板链停止，前后抱桶器抱桶，给机器人发送桶准备好信号。

图4 PLC 流程图

2.3 分盖时间的计算

分盖的时间很关键，既要满足能够顺利分开理出来的桶盖，又需要将分盖的时间缩短至最短，使得盖到位能够达到最快。气缸行程s=20 mm，使用活塞速度10~500 mm/s，按最快速500 mm/s计算，分盖气缸的最快动作时间t3=20/500=0.04 s，加上节流阀后，速度可调，但会低于此速度，即时间会加长。

8 头灌装主机的速度v ≥ 1200 桶/h，即每个节拍t=8°¡3600/v ≤ 24 s。因为每个灌装节拍需要取盖压盖两次，所以盖输送周期t2=t/2 ≤ 12 s。盖的间距和桶的长度一样，即l=171mm，从分盖到末端第4 个盖的总长L=656 mm。有盖输送皮带速度

选择皮带电机功率为200 W、转速n=1300 r/min，减速比i=20，轮盘直径D=60 mm。有皮带线速度

满足条件（1）。

整个流程里每次放盖的延时时间T=t1+t2+2t3，程序里的放盖延时时间为Δt=t1+t2，有

即Δt<0.78 s，即PLC 程序里的延时小于780ms，而气缸的速度会低于最快速，此延时时间会更小。

3 结束语

机器人压盖机对不同盖的适应性较强，只需要更换压盖工具，就可以适应于不同厂家的要求，比如盖的形状不同，大小不同，甚至是结构形式的不同，或者是旋转式上盖，只要设计出相应的工具头，就可以实现，灵活方便地压盖。机器人压盖机提高了客户的劳动生产率，降低了劳动强度，但是成本还是相对较高，未来机器人成本降低了以后，会大大促进机器人在此领域的应用。