CN104192384A - 一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法。所述冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置由采用气动驱动的机械夹抱装置、安装在机器人与机械夹抱装置之间的力传感器、采用气动比例阀驱动的输出压力可以连续调节的气动控制装置，以及控制器（如PLC、工控机）组成。所述控制方法利用力传感器实时检测机器人受到的向下的拉力，计算得到纸箱与物料之间的摩擦力，并按给定的PID控制算法，连续调节气动比例阀的输出气压，控制纸箱与物料之间的摩擦力在规定范围之内，实现物料的轻柔滑落，减轻滑落时的冲击力。

Description

一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业生产领域纸箱包装生产原料的脱箱，具体涉及一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法。 

背景技术

在工业生产中，相当一部分生产物料被包装在纸箱中，这些物料很多为块状。在自动化生产过程中有一个步骤是通过机器人或其它自动化设备将纸箱从生产物料上取下来，即物料脱箱，该步骤的具体过程如下：机器人驱动机械夹抱装置将纸箱连同其内的物料夹紧、抬起一定高度；接着机械夹抱装置的夹紧气缸的气压切换至一低压；由于纸箱上下两面均有可开合的翻盖，因此纸箱内的物料在重力的作用下撑开纸箱的下翻盖，并滑落至载物台上（如皮带输送机），完成物料的脱箱。 

在现有的系统中，容易出现这么一个问题，当物料在重力作用下滑落到载物台上时，由于物料质量较大会产生很大的冲击，由此产生的噪音和振动会对生产环境、生产设备造成不良的影响。 

因此，需要对脱箱过程进行改进，缓解物料滑落的冲击力，实现轻柔脱箱。 

发明内容

为了克服现有系统中存在的问题，本发明提供了一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法，通过采用力传感器及气动压力比例阀，并配合以相应的控制方法来解决上述脱箱冲击力大的问题。 

为实现上述目的，本发明的构思如下： 

一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置及其控制方法的基本构思是通过机械夹抱装置夹起包装着物料的纸箱，利用安装在机器人和机械夹抱装置之间的力传感器，实时检测得到机器人受到的向下拉力，该拉力包括机械夹抱装置自身的重力、纸箱的重力，以及物料相对于纸箱产生的向下拉力。脱箱过程中，因机械夹抱装置上钢针的作用，纸箱相对于机械夹抱装置是固定不动的，脱箱是物料相对于纸箱向下的滑落。物料对纸箱产生的向下的拉力体现为摩擦力，当机械夹抱装置夹持力较大，物料相对于纸箱固定不动，物料对纸箱产生的向下的拉力为静摩擦力，即为物料的重力。当机械夹抱装置的夹紧气缸的气压切换至一低压时，机械夹抱装置夹持力变小，物料相对于纸箱向下滑落，物料对纸箱产生的向下的拉力为动摩擦力。本发明的核心思想是：物料相对于纸箱滑落时，通过力传感器实时检测机械夹抱装置对机器人的向下拉力，然后计算得到物料相对于纸箱的动摩擦力。通过连续调节机械夹抱装置的夹持力，将动摩擦力维持在一个较大的值附近（如75%的物料重力），从而减小物料向下滑落时的加速度和速度，进而减轻冲击力，物料滑落时的加速度a由物料的重力减去动摩擦力并除以物料的质量得到，动摩擦力越大，加速度a越小。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 

上述冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置由采用气动驱动的机械夹抱装置、安装在机器人与机械夹抱装置之间的力传感器、采用气动比例阀驱动的输出压力可以连续调节的气动控制装置，以及控制器（如PLC、工控机）组成。控制器实时检测力传感器检测到的力信号，并按给定的PID控制算法，连续调节气动比例阀的输出气压，实现物料的轻柔滑落，减轻滑落时的冲击力。

所述机械夹抱装置由夹紧气缸驱动，机械夹抱装置的夹臂安装在直线导轨上，使夹臂能在直线导轨上作直线往复运动，所述夹臂上装有钢针，目的是在脱箱过程中，确保当夹臂夹持纸箱时纸箱在夹臂上不会滑落，而物料相对纸箱滑落。 

所述力传感器安装在机器人的末端法兰与机械夹抱装置的连接法兰之间，其作用是实时检测得到机器人受到的向下拉力，包括机械夹抱装置自身的重力、纸箱的重力，以及物料相对于纸箱产生的向下拉力。力传感器检测到的模拟量电压信号通过A/D转换后得到数字量信号，即拉力的大小。力传感器检测得到的拉力减去机械夹抱装置自身的重力及纸箱的重力，就得到了物料相对于纸箱产生的向下拉力。当物料相对于纸箱未动时，该拉力为静摩擦力，也即为物料的重力；当物料相对于纸箱向下滑落时，该拉力为物料相对于纸箱的动摩擦力。 

所述气动控制装置，由双电控二位五通换向阀、气动压力比例阀、速度控制阀以及气缸组成。所述双电控二位五通换向阀的作用是通过左、右阀位的切换来控制气缸活塞杆的伸出或缩回，实现机械夹抱装置夹臂的打开与夹紧。所述气动压力比例阀的作用是控制输出气压连续可调，从而实现机械夹抱装置在夹紧时夹持力的连续可调。以前的气动控制装置只能通过普通减压阀来实现高压和低压的切换，而本发明中所述的气动控制装置中采用气动压力比例阀，实现输出气压的连续可调。控制器输出数字量信号，经过D/A转换得到模拟量的电压信号，然后输出至气动压力比例阀的控制线圈，用于控制气动压力比例阀输出气压的大小。 

所述的控制器为一台PLC或工控机，可以将力传感器检测到的模拟量电压信号通过A/D转换得到数字量信号，以便处理；还可输出数字量信号，经过D/A转换后得到模拟量的电压信号，用于控制气动压力比例阀的控制线圈。所述的控制器还可根据力传感器检测得到的拉力，按给定的PID控制算法，实现气动压力比例阀输出压力的连续调节。所述的控制器还用于设备的逻辑控制，如夹臂夹紧气缸的打开与夹紧。一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱控制方法的控制流程如下，首先，机械夹抱装置将纸箱连同其内的物料夹紧、抬起一定高度；然后，力传感器实时检测得到机器人受到的向下拉力，包括机械夹抱装置自身的重力、纸箱的重力，以及物料相对于纸箱产生的向下拉力。控制器将力传感器检测到的力减去机械夹抱装置自身的重力及纸箱的重力，得到了物料相对于纸箱产生的向下拉力。接着，控制器根据物料相对于纸箱产生的向下拉力是否大于或等于物料重力的90%来判定物料是否相对于纸箱正在滑落。当物料相对于纸箱产生的向下拉力大于或等于90%时，则判定纸箱内的物料未滑动，此时控制器通过减小输出至气动压力比例阀的电磁线圈上的电压大小，减小气动压力比例阀输出的气压，从而减小夹臂夹紧气缸的夹持力，进而减小物料与纸箱之间的最大静摩擦力（与夹持力成正比），当最大静摩擦力小于物料的重力时，物料在重力的作用下开始滑落。当物料相对于纸箱产生的向下拉力小于90%时，则判定物料相对于纸箱正在滑落，此时控制器通过控制输出至气动压力比例阀的电磁线圈上的电压大小，控制气动压力比例阀输出的气压，从而控制夹臂夹紧气缸的夹持力，进而控制物料与纸箱之间的动摩擦力。控制器利用PID控制算法将动摩擦力控制在物料重力的75%左右，也即将动摩擦力维持在一个较大的值附近，从而减小物料向下滑落时的加速度和速度，进而减轻冲击力，最终物料从纸箱中缓慢地滑落到载物台上，完成一个工作循环。 

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点： 

本发明采用了力传感器，能够实时监测机械夹抱装置所夹纸箱内的物料是否正在滑落，以及滑落时物料相对于纸箱产生的实时动摩擦力；本发明还采用了气动压力比例阀，能够实时调节夹臂夹紧气缸内压缩气体的压力，从而改变夹臂施加在纸箱和物料上的正压力，进而控制物料和纸箱之间动摩擦力的大小，最终使得物料轻柔地滑落到载物台上。本发明适用于工业生产中纸箱包装的物料的脱箱作业。

附图说明

图1为冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置的原理图。 

图2为图1的机械夹抱装置的气动原理图。 

图3为图1的控制流程图。 

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

实施例一：参考图1示出本冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置的脱箱原理，本冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置包括力传感器（2）、机械夹抱装置（3）、气动控制装置，以及控制器（13），所述力传感器（2）安装在工业机器人（1）上的末端法兰（1-1）与机械夹抱装置连接法兰（3-1）之间，物料（5）包装在纸箱（4）内，纸箱（4）由机械夹抱装置（3）夹持。所述机械夹抱装置（3）由夹紧气缸（3-3）来驱动夹臂（3-4）运动；所述夹臂（3-4）安装在直线导轨（3-2）上，使夹臂（3-4）能在直线导轨（3-2）上作直线往复运动；所述夹臂（3-4）上装有钢针（3-5），目的是在脱箱过程中，确保当夹臂（3-4）夹持纸箱（4）时，纸箱（4）在夹臂（3-4）上不会滑落，而物料（5）相对纸箱（4）滑落；在所述纸箱（4）上有可开合的上翻盖（4-1）和下翻盖（4-2），保证包装在纸箱（4）内的物料（5）能够在重力的作用下撑开纸箱的下翻盖（4-2），从而滑落至载物台上。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参考图2，其示出了用于上述机械夹抱装置的气动原理图，外部气源与双电控二位五通换向阀（10）的进气口（10-1）连接，所述双电控二位五通换向阀（10）的一个出气口（10-2）与气动压力比例阀（8）、速度控制阀（6）、夹紧气缸（3-3）的有杆腔依次连接，所述气动压力比例阀（8）与一个单向阀（9）并联连接；所述双电控二位五通换向阀（10）的另一个出气口（10-3）与速度控制阀（7）、夹紧气缸（3-3）的无杆腔依次连接；所述双电控二位五通换向阀（3-3）的排气口（10-4）和排气口（10-5）分别与消声器（11）、消声器（12）连接。当双电控二位五通换向阀（10）处于左阀位时，夹紧气缸（3-3）有杆腔进气，夹紧气缸（3-3）无杆腔排气，并且压力比例阀（8）能够控制进入气缸（3-3）有杆腔内的气体压力，此时夹紧气缸活塞杆（3-3-1）缩回，夹臂（3-4）夹紧纸箱（4）；当双电控二位五通换向阀（10）处于右阀位时，夹紧气缸（3-3）无杆腔进气，夹紧气缸（3-3）有杆腔排气，此时与气动压力比例阀（8）并联的单向阀（9）导通，气动压力比例阀（8）被屏蔽掉了，目的是为了不影响排气，此时夹紧气缸活塞杆（3-3-1）伸出，夹臂（3-4）松开纸箱（4）。 

实施例三：参考图3，其示出了本发明一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置的控制方法的具体步骤：步骤1）：机械夹抱装置（3）将纸箱（4）连同其内的物料（5）夹紧、抬起一定高度。步骤2）：力传感器（2）实时检测得到机器人（1）受到的向下拉力，包括机械夹抱装置（3）自身的重力、纸箱（4）的重力，以及物料（5）相对于纸箱（4）产生的向下拉力。控制器（13）将力传感器（2）检测到的力减去机械夹抱装置（3）自身的重力及纸箱（4）的重力，得到了物料（5）相对于纸箱（4）产生的向下拉力。步骤3）：控制器（13）根据物料（5）相对于纸箱（4）产生的向下拉力是否大于或等于物料（5）重力的90%来判定物料（5）是否相对于纸箱（4）正在滑落。当物料（5）相对于纸箱（4）产生的向下拉力大于或等于90%时，则判定纸箱（4）内的物料（5）未滑动。步骤4）：此时控制器（13）通过减小输出至气动压力比例阀（8）的电磁线圈上的电压大小，减小气动压力比例阀（8）输出的气压，从而减小夹臂夹紧气缸（3-3）的夹持力，进而减小物料（5）与纸箱（4）之间的最大静摩擦力（与夹持力成正比），当最大静摩擦力小于物料（5）的重力时，物料（5）在重力的作用下开始滑落。当物料（5）相对于纸箱（4）产生的向下拉力小于90%时，则判定物料（5）相对于纸箱（4）正在滑落。步骤5）：此时控制器（13）通过控制输出至气动压力比例阀（8）的电磁线圈上的电压大小，控制气动压力比例阀（8）输出的气压，从而控制夹臂夹紧气缸（3-3）的夹持力，进而控制物料（5）与纸箱（4）之间的动摩擦力。控制器（13）利用PID控制算法将动摩擦力控制在物料（5）重力的75%左右，也即将动摩擦力维持在一个较大的值附近，从而减小物料（5）向下滑落时的加速度和速度，进而减轻冲击力，最终物料（5）从纸箱（4）中缓慢地滑落到载物台上，完成一个工作循环。 

Claims (4)

1.一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置，包括工业机器人（1）、力传感器(2)、机械夹抱装置(3)、气动控制装置及控制器(13)，其特征在于：所述力传感器（2）固定连接安装在工业机器人（1）末端的一个法兰（1-1）与机械夹抱装置（3）的一个连接法兰（3-1）之间；所述控制器（13）与工业机器人（1）电连接；所述控制器（13）实时获得力传感器（2）检测到的力信号，并按给定的PID控制算法，控制机械夹抱装置（3）的夹持力，实现物料的轻柔滑落，减轻滑落时的冲击力。

2.根据权利要求1所述的冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置，其特征在于：所述机械夹抱装置(3)的结构是：所述连接法兰（3-1）安装在一个机架（3-6）上，一个夹紧气缸（3-3）的缸体一端固定在所述机架（3-6）上，而其活塞杆一端则与一个夹臂（3-4）连接，所述夹臂（3-4）通过一个直线导轨（3-2）滑配安装在所述机架（3-6）上，所述夹臂（3-4）上带有若干钢针（3-5），目的是在脱箱过程中，确保当夹臂（3-4）夹持纸箱（4）时，纸箱（4）在夹臂（3-4）上不会滑落，而纸箱（4）中的物料（5）相对纸箱（4）滑落。

3.根据权利要求1所述的冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置，其特征在于：所述气动控制装置的结构是：一个外部气源与一个双电控二位五通换向阀（10）的进气口（10-1）连接，所述双电控二位五通换向阀（10）的一个出气口（10-2）依次经一个气动压力比例阀（8）和一个速度控制阀（6）与一个夹紧气缸（3-3）的有杆腔连接；所述气动压力比例阀（8）与一个单向阀（9）并联连接；所述双电控二位五通换向阀（10）的另一个出气口（10-3）经一个速度控制阀（7）与一个夹紧气缸（3-3）的无杆腔连接；所述气动控制装置电连接所述控制器（13）。

4.一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置控制方法，用于对根据权利1所述的一种冲击力可控的上提式纸箱脱箱装置进行控制，其特征在于控制操作步骤如下：

1）机械夹抱装置（3）夹起物料（5）：机械夹抱装置（3）将纸箱（4）连同其内的物料（5）夹紧、抬起一定高度；

2）力传感器（2）实时检测机器人（1）受力：力传感器（2）实时检测机器人（1）受到的向下拉力，包括机械夹抱装置（3）、纸箱（4）的重力及物料（5）相对纸箱（4）的向下拉力；

3）控制器（13）判定内容：物料（5）相对于纸箱（4）的向下拉力是否大于或等于物料（5）重力的90%；

4）若判定结果为是：此时控制器（13）通过减小输出至气动压力比例阀（8）的电磁线圈上的电压大小，减小气动压力比例阀（8）输出的气压，从而减小夹臂夹紧气缸（3-3）的夹持力，进而减小物料（5）与纸箱（4）之间的静摩擦力；

5）若判定结果为否：此时控制器（13）通过控制输出至气动压力比例阀（8）的电磁线圈上的电压大小，控制气动压力比例阀（8）输出的气压，从而控制夹臂夹紧气缸（3-3）的夹持力，进而控制物料（5）与纸箱（4）之间的动摩擦力，并且利用PID算法将动摩擦力控制在物料（5）重力的75%左右，也即将动摩擦力维持在一个较大的值附近，从而减小物料（5）向下滑落时的加速度和速度，进而减轻冲击力，最终物料（5）从纸箱（4）中缓慢地滑落到载物台上，完成一个工作循环。