李小佳 

（许昌烟草机械有限责任公司 河南 许昌 461000 ）

摘要：本文提出一种基于3D视觉与协作机器人的商标纸自动抓取装置设计方案，该方案通过“视觉-机器人”协同实现商标纸自动抓取功能。此设计为包装机商标纸自动上料提供了全新思路，为烟厂提供一种新的商标纸自动抓取解决方案。

关键词：商标纸；3D视觉；自动抓取；协作机器人

0 引言

商标纸是卷烟厂生产的重要辅料之一，主要包括小盒商标纸和条盒商标纸。目前国内卷烟厂包装机组主要采用全人工供料和半人工半自动化供料（混合供料）方式。全自动供料方式不仅劳动强度大，而且浪费人力，效率极低；混合供料方式中配备的物流自动供给装置只能解决小盒商标纸的自动供料问题。本课题针对小盒和条盒商标纸共同研究，提供一种小盒和条盒商标纸全自动抓取装置的设计思路。

1 总体方案

总体布局如图1所示，构建“视觉定位-机器人抓取-提升输送”的自动化架构，总体方案如下：将小盒商标纸或条盒商标纸按规定堆叠方式放置于标准托盘上，托盘放置在指定工位区域。3D视觉系统固定于龙门架直线模组上，通过直线模组带动实现移动，对两个托盘工位上的商标纸进行扫描识别与精准定位，并将数据传输至协作机器人控制系统。协作机器人根据3D视觉系统提供的定位数据，驱动末端夹具移动至商标纸抓取位置，通过真空吸盘产生负压吸附商标纸，完成商标纸的抓取。

图1 总体方案图

3D视觉系统、协作机器人和提升机通过PLC控制系统实现协同联动，可根据包装机的生产节奏自动调节供料速度，确保供料与生产需求精准匹配。

2 商标纸垛型设计

2.1  小盒商标纸

小盒商标纸通过牛皮纸进行包装，采用60 mm×100 mm规格胶带固定，一垛商标纸数量为500张，高度161 mm。成垛的商标纸摆放在尺寸为1200 mm×1000 mm×150 mm的托盘之上，跺型采用 10（跺）×5（行）×6（层）布局。5 跺为一个抓取单元，单个单元重量13.5 kg。

图2 小盒商标纸纸跺形状

图3 小盒商标纸托盘跺形状

2.2  条盒商标纸

条盒商标纸通过牛皮纸进行包装，采用2条60 mm×100 mm 规格胶带固定，一垛商标纸数量为500张，高度161 mm。成垛的商标纸摆放在尺寸为1200 mm×1000 mm×150 mm的托盘之上，跺型采用（3＋4＋3）垛×6层布局；以1跺为一个抓取单元，单个单元重量12.2 kg。

图4  条盒商标纸纸跺形状

图5 条盒商标纸托盘跺形状

3  设计计算

3.1    机械手及末端夹具设计计算

3.1.1    机械手负载选型

末端夹具一次抓取1个单元，抓取物料最重13.5 kg。由于末端夹具自身存在重量（要求≤5 kg），机械手运动中会产生惯性力，预留一定安全余量。综合以上因素，根据负载计算公式：

P= K×(m1+ m2)×g，其中P为机械手所需负载；K为安全系数（取值1.3）；m1为最大物料重量；m2为末端夹具重量；g为重力加速度。

代入数据计算：

P=1.3×(13.5+5)×9.8=1.3×18.5×9.8= 235.69N

换算为负载质量：

M=P/g=235.69÷9.8=24.05 kg

因此，选用负载25kg的协作机械手可满足实际作业需求，本设计选用新松GCR25-1800型机械手，负载25 kg,臂展1800 mm。

3.1.2    末端夹具轻量化设计

末端夹具采用真空吸盘抓取结构，主要由法兰板、连接杆、吸盘座、吸盘、真空发生器、配气块、气管接头和气管等部件组成。法兰板选用铝合金，表面进行阳极氧化处理；吸盘座采用3 mm厚不锈钢钣金件折弯成型，气管与接头选用PU材质轻型气管及微型快速接头。经优化设计，末端夹具整体重量2.9 kg，满足轻量化设计要求。

图6 末端夹具

1法兰板   2连接杆  3吸盘座  4吸盘  5真空发生器  6配气块  7气管接头

3.1.3    吸盘选型计算

真空吸盘抓取力核心计算公式如下：F= S×P/μ其中，F为吸盘所需吸力（单位：N）；S为吸盘有效吸附面积（单位：m²）；P为真空吸盘负压（单位：Pa）；μ为安全系数。对于圆形吸盘，有效吸附面积 S =πd²/4（d 为吸盘直径，单位：m），推导可得吸盘直径计算公式：

（1）小盒商标纸吸盘计算

小盒商标纸单个单元（5跺）采用10个吸盘（分5组）抓取，单个吸盘平均承载重量m=13.5 kg/10=1.35 kg。设定真空吸盘负压P= 0.6 MPa，安全系数μ=3，重力加速度g= 9.8 m/s²。

单个吸盘所需吸附力：

F = m×g = 1.35×9.8 = 13.23N

吸盘直径：

（2）条盒商标纸吸盘计算

条盒商标纸单个单元（1跺）采用6个吸盘（分3组）抓取，单个吸盘平均承载重量m =12.2 kg/6≈2.03 kg。真空吸盘负压P=0.6 MPa，安全系数μ=3，重力加速度g= 9.8 m/s²。

单个吸盘所需吸附力：F=m×g=2.03×9.8≈19.9N

吸盘直径：

（3）吸盘规格确定

为实现小盒与条盒商标纸的通用抓取，选取直径40～50 mm的真空吸盘。本设计选用直径50的施迈茨真空吸盘进行实验。

3.2    3D视觉系统选型计算

3D视觉系统采用龙门架结构，固定于直线模组上，通过直线模组实现移动覆盖两个托盘工位。为保证覆盖托盘最上层物料识别信息，设计选取工作距离为1200～1400 mm的3D相机，该工作距离能确保视野范围覆盖整个托盘跺，单次扫描即可获取完整的物料三维信息，满足快速定位需求。

3.3 机械手底座设计计算

3.3.1    设计参数

机械手负载m1=25 kg，自重m2=60 kg，最大臂展L=1800 mm；底座材质：Q235-A；底座高度h=700 mm，重力加速度g=9.8 m/s²；动载系数Kd=1.2；稳定安全系数Ks≥2。

3.3.2    倾覆稳定性计算

（1）倾覆力矩计算

倾覆力矩由机械手负载和自重的动载合力对底座边缘产生，机械手自重重心近似位于臂展中点：Mov=Kd×(m1×g×L+m2×g×(L/2))=1.2×(25×9.8×1.8+60×9.8×0.9)=1164.24N・m

（2）稳定力矩与底座半径确定

稳定力矩由底座自身重量提供，设圆形底座半径为R，底座体积V=πR²h，底座质量mb=ρ×V =ρ×πR²h，稳定力矩Ms=mb×g×R =ρ×πR³×h×g。根据稳定性要求Ms≥Mov，代入参数求解：7850×3.14×9.8×0.7×R³≥1164.24解得

，结合安全余量，确定底座半径R=0.2m。底座设计图如图8所示。同时，电控柜自主设计（图9），采用把底座融入电柜内部的设计方式，达到整洁美观效果。

图8  底座设计图

图9  电气柜

4 效率计算

4.1    包装机消耗参数

按照小盒包装机最高速度800盒/分钟计算，每分钟消耗小盒商标纸n1= 800÷2500=0.32单元；按照条盒包装机最高速度80条/分钟计算，每分钟消耗条盒商标纸垛n2= 80÷500=0.16单元；单台包装机组消耗一个单元用时t=60÷（0.32+0.16）=125 s。

4.2    供料时长计算

一个单元小盒商标纸供料时长：1÷0.32=3.2 min/单元，条盒商标纸供料时长：1÷0.16=6.25 min/单元；一托盘小盒商标纸供料时长：3.2 min/单元×60 单元=192 min，条盒商标纸供料时长：6.25 min/单元×60单元=375 min。

4.3    机械手作业节拍计算

机械手单次作业各环节时间如表所示：

4.4    效率匹配分析

包装机组物料消耗节拍小于单台机械手实际作业节拍，能够适配包装机最高生产速度。

5 结语

本文设计的包装机组商标纸自动抓取输送结构，通过3D视觉精准定位、协作机器人自动抓取与提升机高效输送的协同作业，实现了“一对一”式自动抓取输送。该结构适配小盒与条盒两类商标纸，解决了空间受限烟厂的商标纸输送难题，同时具备轻量化设计、稳定性强、效率匹配度高等优势。该方案大幅降低了劳动强度、节省了人力成本，为卷烟厂包装机组的自动化升级提供了切实可行的技术方案，具有良好的推广应用价值。

参考文献：

[1] 张天奇.ZB45型包装机组小盒商标纸拆封补料装置的设计.设备管理与维修，2025（13）：13-18.