CN109455350B - 一种基于旋转料嘴的追踪式插袋装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于插袋机领域，并具体公开了一种针对旋转料嘴的追踪式插袋装置及方法，其包括设于旋转料嘴旁侧的机械手臂，机械手臂包括第一转动关节、与第一转动关节相连的第一摆臂及与第一摆臂通过第二转动关节相连的第二摆臂，在旋转料嘴旋转过程中，第一摆臂和第二摆臂同时转动完成插袋动作，通过第一转动关节转动带动第二摆臂做圆周运动，并且圆周运动与旋转料嘴转动保持同步，以使第二摆臂末端与料嘴出料口端的相对位置保持在设定范围内；通过第二转动关节转动使第二摆臂末端进行相对于料嘴的轴向运动，以将编织袋套入料嘴中。本发明可实现各种材质编织袋的套袋，且具有高的套袋成功率。

Description

一种基于旋转料嘴的追踪式插袋装置及方法

技术领域

本发明属于插袋机领域，更具体地，涉及一种基于旋转料嘴的追踪式插袋装置及方法。

背景技术

目前的水泥生产厂家，为了应对较大的需求量，均采用机械自动化的生产设备进行生产制造，即利用旋转料嘴将生产好的水泥灌入到编织袋中，每一个旋转周期同一平面内有八个料嘴，在某一位置将水泥编织袋插入到料嘴中，该料嘴检测到编织袋插入后即向内进行灌料(边旋转边灌料)，灌料完成后在另一位置卸下编织袋，即完成一次灌料操作。由于水泥厂生产环境恶劣，而且料嘴旋转速度较快，采用人工插袋不仅对人身体伤害较大，而且很容易产生露袋的情况，故采用自动化套袋具有更大的生产优势。

目前应用在工厂中的插袋机主要有两种，一种是抛插式插袋机，该插袋机预先将摆放整齐的编织袋运送到工作区域内，然后将编织袋运送到两条相对运动的皮带轮之间，两条皮带轮相对转动，通过摩擦力给编织袋施加一个向前运动的力，经过一段时间的加速后，编织袋本身具有一定的速度，脱离皮带轮向前运动，在惯性力以及重力的作用下，克服摩擦力向前运动，直至袋口顺利插入到料嘴中去，该插袋机体积庞大，对编织袋材质要求较高，若编织袋柔性较大容易在运动过程中产生变形使之不能对准料嘴口进行插袋，且在抓取空袋进行套袋之前，对袋子的摆放位置也有一定要求；另一种是滑动式插袋机，该种插袋机主要采用气动方式，有一个转动关节，利用滑块快速来回滑动进行插袋，利用机械臂顶端转动关节控制抓袋和套袋两个部分的运动，转动过程中滑块向前滑动，在滑块上的手爪末梢到达与料嘴位置时进行快速滑动套袋，该设备体积相对更小，但在套袋准确率上有所不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于旋转料嘴的追踪式插袋装置及方法，其具有两个可以转动的关节，其中一个关节运动以同步料嘴的运动，另一个关节运动以进行插袋动作，以实现对各种材质的编织袋进行套袋，并保持高的套袋成功率，能够对工厂中水泥灌料实现自动化，将开口的编织袋插入旋转的水泥出料口，并保证足够的插入深度与准确率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种针对旋转料嘴的追踪式插袋装置，其包括设于旋转料嘴旁侧的机械手臂，所述机械手臂包括第一转动关节、与第一转动关节相连的第一摆臂以及与第一摆臂通过第二转动关节相连的第二摆臂，在旋转料嘴旋转过程中，所述第一摆臂和第二摆臂同时转动完成插袋动作，其中，通过第一转动关节的转动带动第一摆臂以及第二摆臂绕第一转动关节做圆周运动，并且该圆周运动与旋转料嘴转动保持同步，以使得第二摆臂的末端与料嘴出料口端的相对位置保持在设定范围内，通过第二转动关节的转动，使得第二摆臂的末端进行相对于料嘴的运动，以将第二摆臂末端夹持的编织袋套入料嘴中。

作为进一步优选的，所述机械手臂还包括基座、安装在基座上的立柱和设于立柱上部并向外延伸的悬臂梁，所述第一转动关节安装在所述悬臂梁上。

作为进一步优选的，所述旋转料嘴包括料嘴基座和多根料嘴，多根料嘴水平放置并呈放射布置在料嘴基座上。

作为进一步优选的，所述第二摆臂的长度大于第一摆臂的长度，并且两者的长度之和等于单根料嘴的长度。

按照本发明的另一方面，提供了一种针对旋转料嘴的追踪式插袋方法，其包括如下步骤：首先，通过第一转动关节的转动使第一摆臂与第二摆臂构成的整体与竖直线呈一定的夹角；然后，使旋转料嘴按所需速度进行旋转，当料嘴尖端与第二摆臂末端在旋转料嘴的旋转平面内的投影点的距离在设定范围内时开始进行套袋动作，其中，在套袋动作中第一转动关节用于带动第二摆臂做与旋转料嘴转动保持同步的圆周运动，以使得第二摆臂末端与料嘴出料口端的相对位置保持在设定范围内，第二转动关节用于使第二摆臂的末端进行相对于料嘴的轴向运动，以将其末端夹持的编织袋套入料嘴中。

作为进一步优选的，所述第一转动关节的转动速度采用如下公式确定：

其中，ω1为第一转动关节的转动速度，V为旋转料嘴的转动速度，D为旋转料嘴中料嘴的长度。

作为进一步优选的，所述第二转动关节的转动速度采用如下公式确定：

其中，ω2为第二转动关节的转动速度，S为套袋深度，T为追踪时间。

作为进一步优选的，所述旋转料嘴的转动速度V优选为0.92m/s，旋转料嘴中料嘴的长度优选为3.6m，所述套袋深度S优选为200mm，追踪时间T优选为0.3s。

作为进一步优选的，摆臂跟踪旋转料嘴的跟踪角度优选为9°；第一摆臂与第二摆臂构成的整体与竖直线的夹角设置为跟踪角度的一半。

作为进一步优选的，第二摆臂的末端在进行相对于料嘴的轴向运动时，其高度将升高，其垂直升高高度保持在30mm范围内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明设计有两个转动关节，通过第一转动关节在转动平面内追踪料嘴运动并与之保持同步，通过第二转动关节对运动的料嘴进行插袋动作，以此通过两段机械臂的同时运动共同完成一次插袋，具有结构简单、操作方便等优点。

2.本发明对两个转动关节的驱动函数进行了研究与设计，通过设计第一转动关节的驱动函数，使得第一转动关节按所需速度转动，以此使第二段摆臂末梢在垂直平面内追踪到料嘴尖端的运动，通过设计第二转动关节的驱动函数，使得第二转动关节按所需速度转动，使第二段摆臂末梢能相对料嘴进行轴向套袋。

3.本发明装置体积小，节省了占地空间，节约成本且便于加工制造，能够将各种材质的编织袋插入到旋转的料嘴中，套袋准确率上有所提升，能够保证插袋成功率在95％以上，可根据不同袋子对驱动函数进行优化，即对各个关节进行调速，以适应不同的生产要求，满足不同编织袋对于不同套袋深度的要求，编织袋插入深度达200mm以上。

4.本发明能够对不同柔性的袋子进行操作，相对于已存在并投入使用的插袋机来说，可以极大节约生产成本，且该套袋方法能够保持高的套袋成功率，设备体型也相对于现有插袋机更为小巧，解决了目前插袋机设备过于庞大、对编织袋材质有要求的缺点。

附图说明

图1为本发明的针对旋转料嘴的追踪式插袋装置的整体结构图；

图2为本发明的两垂直平面的追踪轨迹示意图；

图3为本发明的第二摆臂末端追踪轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基本原理是两个转动关节同时转动完成插袋，通过数学计算，给第一转动关节输入相应的数学驱动函数，驱动其转动，这个关节的转动主要起到了追踪料嘴尖端运动的作用，使得第二转动关节所在处能够在一段距离内绕第一个关节作圆周运动，并且该圆周运动与料嘴转动能保持同步，即两点相对位置在一定时间内保持在固定范围内，在此基础上再驱动第二转动关节旋转，使得第二摆臂末梢进行相对于料嘴的轴向运动，将末梢机械手爪所夹持的编织袋套入料嘴，为了保证足够的插入深度，第二转动关节的驱动函数也需进行相应数学运算得到。

如图1所示，本发明实施例提供的一种针对旋转料嘴的追踪式插袋装置，包括设于旋转料嘴旁侧的机械手臂，其中，旋转料嘴按一定的速度进行旋转，以使得旋转料嘴上的料嘴不断的旋转至机械手臂的末端，并在机械手臂的作用下完成套袋动作，在套袋之后，通过料嘴向编织袋内灌料，完成一次灌料操作。

如图1所示，机械手臂包括第一转动关节7、与第一转动关节7相连的第一摆臂4以及与第一摆臂4通过第二转动关节8相连的第二摆臂5，在旋转料嘴旋转过程中，第一摆臂4和第二摆臂5同时转动完成插袋动作，其中，通过第一转动关节7的转动带动第一摆臂4以及其上的第二摆臂5绕第一转动关节7做圆周运动，并且该圆周运动与旋转料嘴转动保持同步(即二者转动角速度相同)，以使得第二摆臂5的末端与料嘴出料口端的相对位置保持在设定范围内(两末梢距离不超过25mm)；通过第二转动关节8的转动，使得第二摆臂5的末端进行相对于料嘴的轴向运动，以将第二摆臂5末端夹持的编织袋套入料嘴中。

如图1所示，机械手臂还包括基座1、安装在基座1上的立柱2和设于立柱2上部并向外延伸的悬臂梁6，该悬臂梁6向旋转料嘴方向延伸，第一转动关节7安装在悬臂梁6上。本发明在设计时，需考虑到基座1的稳定性，即两摆臂在运动时不能产生过大的震动，故基座底部需额外加大质量以降低其重心，同时还需要在底部与立柱之间加筋以起到固定作用，同时悬臂梁6与立柱2之间设有加强筋3，以起到固定作用，防止产生过大的震动，基座1做成实心的以稳固整体结构，两段摆臂则需要加工为空心，以减少其转动惯量，以减少伺服电机驱动的压力。

如图1所示，旋转料嘴包括料嘴基座和多根料嘴，多根料嘴水平布置并呈放射布置在料嘴基座上，即料嘴水平插装在料嘴基座上，且等间隔布置，使得各料嘴的出料口在同一圆周上，该出料口直接设于料嘴靠近摆臂的一端，通过旋转运动使各料嘴不断运动至第二摆臂5的末端，通过第一摆臂4和第二摆臂5的动作实现套袋动作。

具体的，第一转动关节7和第二转动关节8具体为传动轴，两者分别采用伺服电机进行驱动，每台伺服电机均安装于法兰盘上并通过行星齿轮减速器来增大输出转矩，而后输出轴通过梅花型联轴器与传动轴(即转动关节)连接来传递扭矩，传动轴和机械臂之间通过平键来传递扭矩，实现机械臂的来回转动。本发明利用平键传递扭矩，采用梅花型联轴器以适用于频繁启停换向的工作环境，采用的行星齿轮减速器具有较小的转动惯量，且传动精度高、可以满足较大的减速比，驱动电机采用伺服电机，以保持运动的快速性与精确性。转动关节处的均用轴承支撑，所有支撑轴承均采用角接触球轴承，既能承受径向载荷也能承受轴向载荷。

优选的，两段摆臂的长度设计中，两段摆臂长度之和等于单根料嘴的长度，即为旋转料嘴的转动半径，这样设计的原因在于当摆臂与料嘴分别在两个互相垂直的平面内做同步圆周运动时(第二关节不旋转时)，摆臂越长则追踪过程中两末梢点之间相隔距离就会越小，考虑到插袋机不宜过大(会增加电机驱动的压力)，优选两段摆臂长度值和约为旋转料嘴转动半径，尽量减小两末梢之间追踪的误差(具体过程示意可见图3)。其中，第二摆臂5的长度大于第一摆臂4的长度，以便在保证套袋深度的同时保证摆臂末梢不会上升太高而产生袋口与料嘴的过度干涉，两段摆臂的长度分别为520mm、1180mm。进一步的，两段摆臂均由热处理过的铝合金制成，两段摆臂均进行中空处理，以减小转动惯量，减轻驱动压力，关节传动轴均由45号钢制成，且经过调质热处理。

本发明还提供了一种针对旋转料嘴的追踪式插袋方法，该方法具体为：

首先，通过第一转动关节7的转动使第一段摆臂4与第二摆臂5构成的整体与竖直线呈一定的夹角；然后，使旋转料嘴按所需速度进行旋转，当料嘴尖端与第二摆臂5末端在旋转料嘴的旋转平面内的投影点的距离在设定范围内时开始进行套袋动作，其中，在套袋动作中第一转动关节7用于带动第二摆臂5做与旋转料嘴转动保持同步的圆周运动，以使得第二摆臂5末端与料嘴出料口端的相对位置保持在设定范围内(两末梢相距0-25mm)，第二转动关节(8)用于使第二摆臂5的末端进行相对于料嘴的轴向运动，以将其末端夹持的编织袋套入料嘴中。在插袋动作开始后，通过第一转动关节的转动使得第二摆臂末端与料嘴出料口端的相对位置保持在0-25mm范围内，该相对位置可通过位置传感器测量得到。具体的，料嘴尖端与第二摆臂末端在旋转平面内的投影点的距离(该距离可通过位置传感器进行检测)的设定范围为0-25mm，即当两投影点的距离在0-25mm范围内时开始套袋动作，优选的，当料嘴尖端与第二摆臂末端在旋转平面内的投影点相距最近时开始进行套袋动作。

具体的，第一转动关节7的转动速度采用如下公式确定：

其中，ω1为第一转动关节7的转动速度，V为旋转料嘴的转动速度(单位为m/s)，D为旋转料嘴中料嘴的长度(单位为m)。

具体的，第一转动关节7由伺服电机驱动，式(1)即为第一转动关节伺服电机的驱动函数，通过伺服电机驱动第一转动关节以ω1速度转动，以使得第二摆臂做与旋转料嘴转动保持同步的圆周运动。

例如，对于料嘴尖端线速度V＝0.92m/s，料嘴布置高度H＝1.2m,且料嘴长度D＝3.6m的灌料装备来说，则第一个关节伺服电机驱动函数

第二摆臂在该转动速度下可以与旋转料嘴的转动保持同步。

其中，第二转动关节8的转动速度采用如下公式确定：

以上公式S单位为m(米)，1.18的单位为m(米)，T的单位为s(秒)。其中，ω2为第二转动关节8的转动速度，S为套袋深度，T为追踪时间。

具体的，第二转动关节8由伺服电机驱动，式(2)即为第二转动关节伺服电机的驱动函数，通过伺服电机驱动第二转动关节以ω2速度转动，使得第二摆臂的末端进行相对于料嘴的轴向运动，以将末端夹持的编织袋套入料嘴中。例如，对于料嘴尖端线速度V＝0.92m/s，料嘴布置高度H＝1.2m,且料嘴长度D＝3.6m，追踪时间T＝0.3s，套袋深度S＝200mm的灌料装备来说，则第二个转动关节伺服电机驱动函数

第二摆臂在该转动速度下可将末端夹持的编织袋套入料嘴中。

进一步的，第二摆臂5的末端在进行相对于料嘴的轴向(即向料嘴摆动)套袋过程中会存在一个竖直方向上的位移，该位移不能过大，否则在套袋过程中会拉扯编织袋，产生袋口与料嘴之间的干涉，甚至戳穿编织袋，影响灌料效果，具体的，使摆臂末端垂直升高高度保持在30mm范围内。

图2为本发明的两垂直平面的追踪轨迹示意图，第一转动关节和第二转动关节在各自的伺服电机驱动函数下转动，实现对料嘴的追踪。

表1为料嘴直径为3.6m、机械摆臂跟踪料嘴不同角度时(第二关节不转动的情况下)，对应的第二摆臂末梢与料嘴末梢相隔的最大距离，由表1可知追踪角度越大时，产生误差越大，两末梢相距越远，而两末梢的距离需保持在一定范围内，才能保证准确套袋，故将跟踪角度(从开始插袋到插袋完成第一个关节转动的角度)设置在9°之内，即将摆臂跟踪旋转料嘴的跟踪角度优选为≤9°，以使得第二摆臂末端与料嘴出料口端的相对位置能够保持在设定范围内，保证成功套袋，例如第一摆臂追踪角速度与料嘴旋转角速度相同均为30°每秒，追踪0.3s(即追踪角度为9°)后完成插袋动作，在该追踪角度下能保持较好的插袋效果。在实际套袋过程中，第二关节和第一关节同时转动才能完成套袋，在此探讨第二关节静止时两末梢的距离是为了采取一种最佳跟踪方案使得圆周运动所产生的追踪误差最小。

表1摆臂末梢跟踪不同角度相隔最大距离

一圈t(s)	料嘴D(m)	料嘴R(m)
											12	3.6	1.8
时间(s)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
											转角(度)	3	6	9	12	15	18	21	24	27	30
距离	2.47	9.86	22.16	39.33	61.33	88.10	119.56	155.62	196.19	241.15

表2测得在不同跟踪角度下，第二摆臂末梢在XYZ三个方向上的位移量，并根据各个跟踪角度给出了相应的摆杆角速度(即第二关节伺服电机输出的角速度)，起始偏转角度即起始追踪点的机械摆臂状态与机械摆臂完全竖直状态的夹角(即第一摆臂相对于竖直位置绕第一关节点旋转的角度)，起始偏转角度为跟踪角度的一半，采用这种追踪方式可尽量减少在追踪过程中两末梢的位移偏移量，便于更加准确地进行套袋。即第一摆臂和第二摆臂布置在同一直线上，追踪式插袋开始前，第一摆臂和第二摆臂构成的整体非竖直布置，而是存在偏移角，即与铅垂线具有夹角，该夹角(即偏移角)设置为跟踪角度的一半，也即起始追踪点并不在竖直位置，存在一个起始追踪偏移角，这样设计的目的可减少追踪过程中的位移偏差。

表2摆臂末梢位移分量表

本发明能够将开口的编织袋插入到转动的料嘴中以实现工业自动化灌料操作，一个跟踪关节与一个套袋关节同时被电机所驱动，使得机械臂在与料嘴转动平面相垂直平面内摆动，并与料嘴转动在一定范围内保持同步，机械臂的末梢装有机械手爪，械手爪上夹持有开口的编织袋，在两个电机同时驱动下将开口的编织袋插装在料嘴出料口处，完成套袋。

本发明的插袋装置和方法能够对各种材质编织袋成功插袋，并且保证相当高的成功率，且机械结构相对简单，为生产制造极大地节约了成本，且相对于之前的插袋机具有更大的优势，体型较小，便于方位调整，占地面积更小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于旋转料嘴的追踪式插袋装置，其特征在于，包括设于旋转料嘴旁侧的机械手臂，该旋转料嘴包括多根水平放置并呈放射布置的第一料嘴，所述机械手臂包括第一转动关节(7)、与第一转动关节(7)相连的第一摆臂(4)以及与第一摆臂(4)通过第二转动关节(8)相连的第二摆臂(5)，在旋转料嘴旋转过程中，所述第一摆臂(4)和第二摆臂(5)同时转动完成套袋动作，其中，通过第一转动关节(7)的转动带动第一摆臂(4)以及第二摆臂(5)绕第一转动关节(7)做圆周运动，并且该圆周运动与旋转料嘴转动保持同步，以使得第二摆臂(5)的末端与旋转料嘴中的第一料嘴的出料口端的相对位置保持在设定范围内，通过第二转动关节(8)的转动，使得第二摆臂(5)的末端进行相对于第一料嘴的运动，以将第二摆臂(5)末端夹持的编织袋套入第一料嘴中。

2.如权利要求1所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋装置，其特征在于，所述机械手臂还包括基座(1)、安装在基座(1)上的立柱(2)和设于立柱(2)上部并向外延伸的悬臂梁(6)，所述第一转动关节(7)安装在所述悬臂梁(6)上。

3.如权利要求1所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋装置，其特征在于，所述旋转料嘴还包括料嘴基座，多根第一料嘴水平放置并呈放射布置在料嘴基座上。

4.如权利要求1所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋装置，其特征在于，所述第二摆臂(5)的长度大于第一摆臂(4)的长度，并且两者的长度之和等于单根第一料嘴的长度。

5.一种基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，通过第一转动关节(7)的转动使第一摆臂(4)与第二摆臂(5)构成的整体与竖直线呈一定的夹角；然后，使旋转料嘴按所需速度进行旋转，当第一料嘴尖端与第二摆臂(5)末端在旋转料嘴的旋转平面内的投影点的距离在设定范围内时开始进行套袋动作，其中，在套袋动作中第一转动关节(7)用于带动第二摆臂(5)做与旋转料嘴转动保持同步的圆周运动，以使得第二摆臂(5)末端与第一料嘴的出料口端的相对位置保持在设定范围内，第二转动关节(8)用于使第二摆臂(5)的末端进行相对于第一料嘴的轴向运动，以将第二摆臂末端夹持的编织袋套入第一料嘴中。

6.如权利要求5所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，所述第一转动关节(7)的转动速度采用如下公式确定：

其中，ω1为第一转动关节(7)的转动速度，V为旋转料嘴的转动速度，D为旋转料嘴中第一料嘴的长度。

7.如权利要求5所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，所述第二转动关节(8)的转动速度采用如下公式确定：

其中，ω2为第二转动关节(8)的转动速度，S为套袋深度，T为追踪时间。

8.如权利要求7所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，所述旋转料嘴的转动速度V为0.92m/s，旋转料嘴中第一料嘴的长度为3.6m，所述套袋深度S为200mm，追踪时间T为0.3s。

9.如权利要求7-8任一项所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，第一摆臂(4)与第二摆臂(5)构成的整体与竖直线的夹角设置为跟踪角度的一半，该跟踪角度为从开始插袋到插袋完成第一个关节转动的角度。

10.如权利要求5-8任一项所述的基于旋转料嘴的追踪式插袋方法，其特征在于，第二摆臂的末端在进行相对于第一料嘴的轴向运动时，第二摆臂的高度将升高，第二摆臂垂直升高高度保持在30mm范围内。

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