第2章 基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统
带动工业机器人本体进行工作（本研究中还未涉及到传感器）。
目前，基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统控制比较专业，也比较复杂，其控制流程图参见图6-1。当一条生产线安装成功之后，由于其自动化水平较高，所以需要的人工干预比较少。只有当生产计划或参数需要调整时才需要人工干预。
2.3 末端执行器
目前，机器人行业中，以工业机器人应用最为广泛，技术也最为成熟。基于工业机器人的大多数系统，在执行部分的末端，根据不同的需要，会安装相应的工具，这部分就称为末端执行器。实际应用中，设计人员会根据不同的需要，对工业机器人配备相对应的末端执行器，以保证系统能正常完成需要的工作。本研究中，系统要完成玻璃的堆垛工作，末端执行器设计成吸盘架。
众所周知，码垛行业也是近几年来的新兴产业，并且有很好的发展前景。用于码垛的主要机械就是工业机器人系统。在实际应用中，根据不同的需要设计安装对应的末端执行器。而对于工业机器人来说，只需要将末端执行器换掉，就能执行新的工作。这样不仅减轻了公司的经济压力，而且系统的堆垛效果好，堆垛精度也很高。从长远来看，不仅堆垛成本低，而且也有利于避免在堆垛过程中认为的擦伤或污染。
在末端执行器的设计中，根据堆垛物品的不同，考虑其物理特性，设计出合乎要求的末端执行器。比如，在钢铁生产过程中，对于成型的钢板，要想堆垛或装箱，根据其物理特性，一般采用电磁铁吸附。即末端执行器采用电感线圈，当通电时，机器人将钢板吸起，进而完成堆垛或装箱；而对于比较轻的比如纸张、鞋盒之类的物件，一般采用空气吸附的办法，即在工业机器人的末端装上带有真空吸盘的吸盘架，将吸盘贴在物品表面，然后抽气，当达到一定的真空度时，物品就能被吸附，从而完成其他的堆垛或者装卸工作。 2.3.1 吸盘架结构设计
对于吸盘架的结构，要求不仅要强度够，而且要重量轻，结构紧凑。因为实验中抓取物的重量最大为16kg，所以能抓取的玻璃也只能是小型的玻璃。有于吸盘架要有一定的重量，所以吸盘架最终能抓取的玻璃的重量在10kg左右。考虑到玻璃的厚度在3至5mm，计算到玻璃的外形尺寸在1000×500mm范围内。因为设计的吸盘架只是用于实验系统的性能，又加上成本的问题，设计的吸盘架外形比较简单，外形图如图2-3所示：
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图2-3吸盘架 Fig. 2-3 Suction cup frame
将六个吸盘装在吸盘架的对应位置，注意安装时要保证各个吸盘的唇部在一个平面内，然后用PU管连接，如图2-3所示。由于抓取重量的限制，其他气动元器件没有加在吸盘架上，以增加抓取重量。 2.3.2 气路系统方案设计
在吸盘架的设计中，一个重要的方面就是要设计出一个最佳的气路方案。气路要求是：尽量缩短气管的长度，以减少被吸真空的体积，从而提高玻璃吸附效率。设计气路的平面图如图2-4所示，其原理图如图2-5所示。
图2-4气路平面图 图2-5气路原理图
Fig. 2-4 Gas path plan Fig. 2-5 Pneumatic schematic diagram
图2-4中1至11名称及作用：
1. 真空发生器--利用压缩空气来产生真空；
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2. 空气调节阀--控制供应真空泵的压缩空气（ON / OFF）； 3. 空气调节阀--解除真空；
4. 真空过滤器--防止不纯物进入真空泵； 5. 真空开关--达到设定的真空度就发出信号；
6. 缓冲连接器--缓冲、调节真空吸盘和物体之间的高度； 7. 真空吸盘--吸住被移送物体的表面搬运物体的配件； 8. 空气压力调节过滤器--调节空气压力以及过滤作用； 9. 分配器--一个系统分多数系统连接； 10. 流量调节阀--调节流量； 11. 截止阀--防止真空系统的逆流。 2.3.3 真空器材选型
根据设计好的气路系统，通过计算，选择合适的相关材料和器材。其中空气调节阀、空气调节阀、真空过滤器、真空开关、空气压力调节过滤器、流量调节阀、截止阀等是常用的气动器材，按照相应的参数，参照说明书，即可选择。这里主要介绍真空吸盘和真空发生器的计算选择。
1. 真空吸盘选型
真空吸盘是玻璃堆垛行业常用的一种真空器材。一般用于平板玻璃的搬运或堆垛。通过吸盘唇边与玻璃接触，用真空发生器或真空泵等将吸盘内抽成真空或达到一定的真空度，然后机械手通过提起吸盘架，将玻璃连带提起，进而达到搬运或堆垛的功效。针对被搬运物体的不同，要选择相应材质的吸盘，这是真空吸盘能很好吸附物体的保证，同时，选择合适材质的吸盘还能增加吸盘的寿命，从而减小成本。在选择真空吸盘时要考虑的几个重要事项：
(1)被吸附物体的表面形状。这是选择真空吸盘类型的依据。本研究中，搬运的玻璃是表面平整的一般平板玻璃，所以，选取“平形”真空吸盘，该类吸盘主要用于被吸附物表面平整且变形量小的物体；
(2)真空吸盘的工作环境。工作过程中，吸附物体的温度、油性、摩擦系数等决定真空吸盘的材料。一般情况下，玻璃搬运或堆垛是玻璃出厂或入库的最后一个环节，所以，玻璃的温度为常温，一般没有油性，摩擦系数视玻璃类型与吸盘材料而定。根据本研究的具体情况，选取聚氨酯橡胶真空吸盘。
(3)吸盘与被吸附物体的接触形式。考虑到玻璃是硬性材料，吸盘在与玻璃接触时不能采用刚性接触，必须添加缓冲器，这里选择缓冲器为弹簧。缓冲距离要适中，压力在玻璃承受的范围之内，原则上，只要所有吸盘唇边都贴附在玻璃
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表面即可。
(4)被吸附物体的质量。这是选择吸盘尺寸和数量的依据。下面计算真空吸盘的具体选用尺寸。
根据吸附力F，采用力学公式：F=P?A即可求出真空吸盘的规格尺寸，其中：P-真空压力；A-吸盘吸附有效面积（一般有效面积比空载时小10%）。由于本课题中运动比较复杂，所以用更为精确的公式计算：
D?41w???t?1000 (2-1) 3.14pn式(2-1)中，D为吸盘直径（mm）；P为真空度（-kpa）；W为吸附力（N）；n为吸盘数量（个）；t为安全系数；这里P=50kpa，w为玻璃的最大重量160N，吸盘的数量n取6个，安全系数t一般取2.5～4，当玻璃在搬运过程中有垂直或倾斜的时候取4～6，这里取5。带入公式求得D=58mm，取直径D=60mm。
图2-6真空吸盘 Fig. 2-6 Vacuum chuck
考虑到吸附物的可吸附尺寸，所选的真空吸盘的直径应设定为大于根据计算所得出的所需吸盘直径D；因真空吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右，所以选择时，请考虑到此点，不要使吸盘从吸附物的边缘露出；因为真空压力会使真空吸盘变形，所以吸附面积要比真空吸盘的直径小。变形度根据真空
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吸盘的材质、形状、橡胶的硬度而有所区别，因此，在计算得出吸盘直径时需要留出余量，安全系数中包括变形部分。
根据以上分析计算，选用带有弹簧缓冲装置的真空聚氨酯橡胶吸盘。如图2-6所示，弹簧缓冲距离为12mm，其型号为PFTS-60-10-S。
2. 真空发生器选型
真空发生器是一种利用高压气体产生真空的气动元件。工业中，在有压缩气体的地方，可以利用真空发生器产生负压。其工作原理如图2-7所示：
图2-7真空发生器原理图
Fig. 2-7 Principle diagram of vacuum generator
真空发生器的工作过程分析：把压缩空气供应给接口（一次侧）时，压缩空气会被导入喷嘴；压缩空气在喷嘴受到节流，高速（声速）释放到扩散室，膨胀扩散并流向扩压器；通过空气的高速流动，扩散室的压力下降（伯努利定理），真空接口（二次侧）的空气会流入扩散室；流入的二次侧的空气和从喷嘴放出的压缩空气一起，从扩散器被释放到大气中。
选择真空发生器主要考虑一下几个方面：
首先是真空发生器的吸入量，即流量，一般情况下，流量越大，到达一定的真空度就越快；其次要考虑希望的真空度到达时间，根据连接管路的粗细和希望的吸附时间选取合适的真空发生器；最后，根据吸盘的直径和数量选取合适的真空发生器，当吸盘直径在80mm以下时，真空发生器的喷嘴直径选0.5mm，但
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