机械-外文翻译-外文文献-英文文献-一个复杂纸盒的包装机器人.pdf

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1、-可编辑附件 1：外文资料翻译译文一个复杂纸盒的包装机器人Venketesh N.Dubey英国设计学院，工程和计算机，伯恩茅斯大学，普尔Jian S.Dai伦敦大学国王学院，英国伦敦大学，伦敦摘要目的 为了展示设计一种可以折叠复杂几何形状的纸盒的多功能包装机的可行性。设计/方法/方式这项研究对各种几何形状的纸盒进行研究，将纸盒分为适当的类型以及机器可以实现的操作；把能加工这些纸盒，并进行机械建模和仿真，且最终可以设计和开发的包装机概念化。研究结果 这种多功能包装机已经被证明是可能的。只需将这种多功能包装机小型化，并对它投资以促进其发展，这种机器可以成为现实。研究限制因素/问题 本研究的目的是

2、证明这种包装机的原理，但实际应用需要考虑结合传感器给出了一个紧凑的、便携式系统。创意/价值这项设计是独一无二的，并已被证明可以折叠各种复杂形状的纸盒。关键字：机器人技术包装自动化文章类型：研究论文1 简介-可编辑产品包装是关键的工业领域之一，以自动化为首要权益。任何产品流通到消费者手中需要某种形式的包装，无论是食品、礼品或医疗用品。因此，对高速的产品包装有持续的需求。对于周期性消费品和精美礼品，这项需求更是大大增加。它们要求包装设计新颖且有吸引力，以吸引潜在客户。通常这类产品用外观精美、形状复杂的纸盒递送。如果采用手工方法进行包装，不仅令工人感到乏味且操作复杂，也费时和单调。对于简单的纸盒包装

3、，通过使用沿传送带布置的专用机器，已经获得了实现。这些机器只能处理固定类型的纸盒，任何形状和结构的变化很难纳入到系统之中。在大多数情况下，它们需要进行超过40 种变化以适应同种类型但大小不同的纸盒，这就意味着每一个特定类型的纸盒需要一条包装生产线。从一种类型到另一种类型的纸盒折叠组装生产线的转换将会使资本支出增加。因为这些限制因素和转换生产线的相关成本，包装的灵活性将会失去。因此，作为一种补充，手工生产线被引进以适应不同类型的纸盒的生产,从而解决转换生产线的问题。它们承担了大约 10%的工作订单，并被用作生产促销产品的组装生产线。但是，问题仍然存在，手工生产线上的管理员和操作工需要一个长时间的

4、学习过程，而且与机器生产线不同，劳动伤害主要是源于扭手动作。此外，手工生产线通常被认为是一个季节性的生产力，仍然需要专门的机器长年运行，以节约成本和时间。设计师追求奇幻和独特的纸盒包装以响应竞争激烈的市场，使包装工作更加困难。纸盒的风格和类型的频繁变化和小批量生产对纸盒装配和包装生产线提出了挑战，为此需要设计一种灵活的机器。因此，这项责任放在了包装行业的身上,在可编程和可重构系统的帮助下充分加快转换过程以处理不同类型的纸盒。这种灵活的和高度可重构的系统的开发需要进行系统的分析和综合每个部件，即纸盒和纸盒的折叠模式、包装纸盒的机器、完整的组装操作。-可编辑一种这样的方法（Lu 和 Akella，

5、2000 年）已经公布了,该方法使用固定装置来折叠纸盒。虽然这种方法能完成纸盒所有折叠操作，但实施的工作只是处理一个简单的矩形箱,其固定的自动装置被安装在指定的位置。但是，对于复杂几何体纸盒，需要对纸盒和折叠机构进行综合考虑，从而实现包装生产线的柔性自动化。在复杂纸盒的折叠操作及工序分析方面，作者开展了大量的研究，并诉诸于图形理论、螺旋理论、矩阵理论且以一种空间结构表示纸盒；及其研究纸盒移动性和分析其结构外形（Dai and Rees Jones，1997a，b，c，1999；Dubey et al.1999a，b，c；Dubey and Dai，2001）。本文介绍从事设计能处理复杂几何形状

6、纸盒的可重构纸盒折叠机的研究。2 设计和原理的需要该项目被列在许多化妆品和香水供应商的愿望列表上，如伊丽莎白雅顿和卡尔文克莱恩，并被 Unilever Research UK积极地考虑了数年。他们愿意支持任何一种能够使用一些替代手段从而实现整个花式纸盒包装过程自动化的研究思想。结果，这个项目是由英国和荷兰联合利华财团赞助，以探索开发一种可处理各种形状和尺寸的纸盒的柔性包装机的可行性。这项研究由手工包装流程的研究开始，揭示了当从简单的纸盒的生产转换到一个复杂的纸盒的生产时，要求包装机具有较高的灵活性（Dai,1996年）。这样的纸盒用一张形状不规则的硬纸板折叠而成。由于纸板被折断，它有若干个可围

7、绕折痕线旋转的活动的面。这些折痕线便于折叠，从而造成一种形状的转变。图1 显示了一个花式纸盒的折叠过程，硬纸板被折叠后，变成了帐篷的形状。通常这种复杂的且小批量生产的纸盒都采用手工制作。图 1 花式纸盒的折叠过程-可编辑图 2 在手工包装纸盒时的力在手工包装工艺中，使用手指折起侧面，如图2 所示，沿箭头的方向绕着三个轴进行折叠，而顶面和底面是用手掌沿平箭头所示方向折起。箭头代表用手指施加拨力，而平箭头代表施加推力。在闭合中间层时，需要手指精巧地交叉地将端面插进设计好的缝隙中。为了归纳折叠步骤，对各种形状的纸盒进行了研究，并把纸盒分类，如图3所示。它也显示了纸盒包装所涉及的各种操作。尤其是要注意

8、，大多数纸盒必须经过三个步骤，-可编辑竖立、插入1和闭合。但除了托盘式纸盒以外，在其他情况下，依据纸盒外形的复杂程度，其包装步骤涉及各种操作（其中有些如上所述）。图3 纸盒包装操作设计一种建造和折叠这种纸盒的机械系统需要考虑以下几点：多功能。提供各种操作功能，包括拨、折、挤和扭操作。灵活。能够以不同的方式达到操作位置。控制最小数量的轴。降低系统的复杂性。可重构性。处理各种不同几何形状的可折叠的纸盒。-可编辑 可编程性。同时地、循序地控制多个轴的运动。一个可以提供精细动作及操作功能的灵活的系统，需要使用有关节的手指状的链接。这样的手指安装在一个活动底座上，例如X-Y工作台或环形导轨，以此保证系统

9、可重新构建和处理不同形状和尺寸的纸盒。控制器的架构应能够独立地驱动各轴。该设计应提供所有的操作功能，而又不使系统变地复杂，如此使其成为一个具经济效益的解决方案。3 包装机基于上述标准原始设计被概念化和模型化,如图4所示。人手能够演示各种功能是基于人手的灵活性和功能的多样性。该设计有四个手指，两个是三自由度的，两个是二自由度的。三自由度的手指通过下方的关节做偏转运动(Y)，依靠其余两个关节作俯仰运动(P),从而形成 YP-P构型。二自由度手指只能在一个二维平面内做俯仰运动。图4 包装机模型手指被安装在导轨上，可沿导轨滑动而且导轨本身可以作横向移动。手指都安装在旋转底座上，使这些轴能够进行适当的调

10、整。两钳手在平行于手指水平导轨的方向上做推进运动，如模型所示。挡板附着在钳手上,并被安装在下方的关节上，当进行推挤操作-可编辑时，它们可以沿着纸盒的轮廓运动。纸盒放置在该方形底座底部的中心处，底座是由一台电动机驱动做垂直运动以及转动，从而使纸盒达到包装操作所需的任何位置。手指的关节直接通过关节马达驱动，整个系统需要控制 14个轴。这些考量是基于高度的可重构性与控制最小数量的轴。指尖的设计进行了专门地考虑，因为它们必须执行上一节所讨论的各种操作功能。受手工包装过程的启发，指尖设计采用带有V型槽的尖头。根据手工包装的需要，使其手指能在纸盒上施加“戳”和“挤”的力。该尖头用于戳操作，在V型槽的挤压下

11、，纸板打开以进行塞操作。除了提供戳力和挤力，二自由度手指的Y形部分还能给扁平纸板提供暂时的推力。在有限自由度的情况下，这样的设计可以提供许多灵活的操作功能以处理不同构造不同类型的纸盒。该模型提供了机器运行所需的全部运动信息（Dubey and Crowder，2003 年）。包装机的参数模型已经被开发出来（Workspace4，1998年），几何外形和尺寸设计的改变可以非常容易地纳入到模型中，包括结构的验证。这也使机器部件的运动参数能在加工之前就得以确定。包装纸盒时，在纸盒上定位各种接触点，通过记录的各种接触点的位移，就可以实现手指的纸箱之间的运动的连通性。纸箱上的接触点可以由折叠次序的几何表

12、示鉴别（Dubey and Dai，2001）。这些接触点用于测量每个手指关节的偏移量。将这些位移数据进行插值运算，生成最优手指路径，尽量减少不必要的手指运动，从而减少包装的周期时间。从模型中获得的插补数据可以下载，用以驱动手指。当前的研究工作是基于纸盒的几何特征及其折叠次序的研究，使整个包装过程可以实现自动化（迪比等，2000），而不是借助于纸盒的仿真。图 5 显示了当纸盒折叠时,手指跟踪纸盒上的接触点。模拟模型为包装机器的设计以及控制提供了许多有价值的信息。例如，在维度和结构决定之前，模拟模型可用来检-可编辑查机器的几何以及结构。通过改变模型的基本尺寸参数,任何新的机械零件几何信息都可直接

13、获得。在纸盒的折叠过程中所得的运动数据和轨迹可用于手指系统控制。目前，模拟运动参数不可从直接整合到控制器中，因此这些数据都必须以数据文件的形式输入到控制器中。不过，这种方法可全面地校核折叠次序，然后下载这些数据并输入到控制器中。图5 机械手折叠纸盒4 试验机利用从模型中获得的三维信息,所开发的包装机采用三个线性电动机；两个用于驱动钳手,一个用于控制旋转平台的垂直运动。十个日本安川电气提供的高扭矩、高性能电动机被用在手指关节处，这些电动机规格为：尺寸，30 30 毫米；重量，70克；转矩，-可编辑0.7Nm/22.5rpm；传动比，80:1，谐波传动；光学编码器，96 脉冲/转。这意味着 10c

14、m的手指可以提供 7N 的压力，足以折叠这些花式礼品纸盒了。该控制器架构采用四个运动控制程序卡片，每个卡片可以控制多达四个轴（Dubey and Crowder，2003 年）。这些卡片支持 C语言编程的运动控制，它也有一个G代码编程界面，用于快速检验和模拟加工。该统还采用了气动连接，用以连接吸盘，控制器可以通过吸盘控制启停开关。目前采用转动转盘的方式将纸盒从一个位置移到另一个位置并定位（今后还计划用指尖上的V形槽），完成抓取操作。这将有利于处理平整的纸盒板，防止其滑动（Dubey et al.,1999 年）。为了建立用于构建及折叠纸盒的包装系统的功能，在确定模型和包装机两者的几何结构相同之

15、后，从模型中生成的数据文件反馈到控制器。数据文件用单独的一行存储电机协调运行的运动数据，而后续行有下一阶段的运动控制参数。因此，控制程序按顺序读取数据，并产生相应的中断，同时发送操作命令。如此，手指能并行地、连续地重复运动。编制针对各种操作功能的子程序，可以进一步增强控制器的编程能力，使控制器的模块化结构得以实现，从而能更好地适应任何新的纸箱折叠和包装操作工序。系统的可重构能力是系统开发的关键问题之一。在进行系统设计时的想法是使用该系统来折叠不同类型及微小改动的纸盒。但要做到这一点，保证系统完全按已开发好的图示模型和基本结构进行组装是非常重要的。运行机器，数据文件包含在主程序中，当折叠纸盒时，

16、系统首次操作以一个逐步的试点模式进行以验证手指运动。一旦这个系统完成自动包装的准备工作，该系统能够在不到 45秒的时间内成功地建造和折叠纸盒（图1）。如插图1所示的先进机器，所有的手指和横向推杆都参与了复杂的折叠操作。虽然很难同手工包装进行时间的比较，但是我们进行了一些同样纸盒的试验，手工包装（学习之后）平均耗时 60秒左右。-可编辑机器的可重构性可以通过折叠另一种类型的纸盒来证明，如插图 2所示。这是一个形状复杂的封闭式纸盒。包装这种纸盒需要对纸板进行多种操作，包括拨、扭和折叠。重置机器结构之后，整个纸盒折叠过程耗时45s。改装后的机器可与改装前的机器（如插图1所示）相媲美。这表明了该系统的

17、高度灵活性和再设计能力。插图1 运行中的包装机插图2 另一种纸盒的包装机-可编辑5 讨论和结论本文提出了一份灵活的、可重构的装配和包装系统。本研究的目的是设计一个可以处理不同几何形状的纸盒可重构的装配和包装系统。最初的想法是要开发一个可以展示对不同风格和复杂形状的纸盒的适应能力的系统。结果表明，该包装机可以折叠两个完全不同形状的纸盒。在任何情况下，折叠周期约为45s。虽然这不是一个优化的折叠时间，但是采用在线数据传输有望减少周期时间至30秒或更少。虽然一个非常灵活的纸盒包装机在用于车间生产之前仍有许多问题需要解决。不过，本研究的目的是验证面向包装行业的快速转换技术。未来需要改进的部分包括优化手

18、指导轨，使用力反馈触觉传感器，以避免纸板上的压力过大，且将在真空装置中进行折叠操作。还建议将仿真模型与实际机器相结合,使其能下载在线数据。X-Y工作台可用电机驱动和控制,实现自动重构。这些先进的技术，将使整个包装过程自动化,从纸盒的二维图开始，然后确定其运动学特性并生成运动序列到完成产品包装。此外，如果能小型化，还计划将灵活的、可重构的机械手安装在一个机器人手臂上以得到更高灵活性。该系统不仅能进行纸盒折叠，也可以在折叠的同时将-可编辑产品放入纸盒中。这将减少包装时间，也能够迎接对不断变化的高端私人产品包装需求的高度适应性的挑战。参考文献Dai,J.S.(1996a),“Survey and b

19、usiness case study of theexterous reconfigurable assembly and packaging system D-RAPS)”,Science and Technology Report,No.PS960321,Unilever Research,Bedford.Dai,J.S.(1996b),“Conceptual design of the dexterous reconfigurable assembly and packaging system(D-RAPS)”,Science and Technology Report,No.PS960

20、326,Unilever Research,Bedford.Dai,J.S.and Rees Jones,J.(1997a),“New models for identification of distinct configurations of cartons during erection and assembly”,Science and Technology Report,No.PS970066,Unilever Research,Bedford.Dai,J.S.and Rees Jones,J.(1997b),“Structure and mobility of cartons th

21、rough screw theory”,Science and TechnologyReport,No.PS970067,Unilever Research,Bedford.Dai,J.S.and Rees Jones,J.(1997c),“Theory on kinematic synthesis and motion analysis of cartons”,Science and Technology Report,No.PS970184,Unilever Research,Bedford.Dai,J.S.and Rees Jones,J.(1999),“Mobility in meta

22、morphic mechanisms of foldable/erectable kinds”,ASME Journal of Mechanical Design,Vol.21 No.3,pp.375-82.Dubey,V.N.and Crowder,R.M.(2003),“Designing a dexterous reconfigurable-可编辑packaging system for flexible automation”,paper presented at A SME DesignEngineering Technical Conference,DETC2003/DAC-488

23、12,Chicago,IL.Dubey,V.N.and Dai,J.S.(2001),“Modeling and kinematicsimulation of a mechanism extracted from a cardboard fold”,International Journal of Engineering Simulation,Vol.2 No.3,pp.3-10.Dubey,V.N.,Dai,J.S.and Stamp,K.J.(1999a),“Advancedmodeling and kinematic simulation of a complex carton”,Sci

24、ence and Technology Report,Unilever Research,Bedford.Dubey,V.N.,Dai,J.S.and Stamp,K.J.(1999c),“Advancedmodelling,design and experimental work of a new reconfigurable system for packaging with a multi-fingered robot hand”,Science and Technology Report,UnileverResearch,Bedford.Dubey,V.N.,Dai,J.S.and S

25、tamp,K.J.(2000),“Knowledgebasedcarton specification system”,Science and TechnologyReport,Unilever Research,Bedford.Dubey,V.N.,Dai,J.S.,Stamp,K.J.and Rees Jones,J.(1999b),“Kinematic simulation of a metamorphic mechanism”,paper presented at Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms(IFToMM),pp.98-103.Lu,L.and Akella,S.(2000),“Folding cartons with fixtures:a motion planning approach”,IEEE Transactions on Robotics and Automation,Vol.16 No.4,pp.346-56.-可编辑Workspace4w(1998),User s Guide,Robot Simulations Ltd,Newcastle upon Tyne.附件 2：外文原文（复印件）