本发明涉及粉体包装机械技术领域，具体为一种阀口袋自动上袋机器人的末端操作器及运行方法。
背景技术：
在工农业生产中，存在着大量粉体物料需要用不同包装形式提供。粉体包装中为了避免包装过程中造成粉尘飞扬，多选用阀口袋作为包装用袋，如水泥、超细滑石粉、钛白粉等的包装。阀口袋为目前国际流行包装袋，从顶部或底部阀口进料，采用专门灌装设备，灌装物料后堆包整齐，美观，属于环保袋。
阀口袋有糊底阀口袋和线缝阀口袋之分。糊底阀口袋灌装物料后成方体，方便码垛；而线缝阀口袋灌装物料后虽不成方体，但因价格便宜，也在很多场合使用。无论是哪种阀口袋，在折叠为矩形的袋子一个角部设计有一个向内或向外折叠、并贴合在一起的小口即阀口，用于粉料的灌装。阀口袋包装时，首先将阀口袋的阀口张开，然后把阀口套在包装机的喂料管上，进行粉料的灌装。灌装完毕后，内装物料会从内部挤压封闭阀口，不需要外力自动封口。
目前，在粉体包装中，阀口袋包装相较于敞口袋包装有诸多突出优点，目前已经被普遍使用，并获得了较快的发展。阀口袋半自动化包装线已经获得了较为广泛地应用，可自动完成粉料的灌装、计量、码垛等。但在阀口袋的上袋环节却尚未实现自动化，因上袋时需要将叠压成扁平状态的阀口袋的阀口张开，再准确套至灌装机的喂料管上。现有自动上袋装置大多采用传统的机械结构设计，机构复杂、故障率较高、柔性不够(一套设备只能满足一种规格的阀口袋的上袋作业)，难以广泛地应用。目前多数阀口袋包装装置还是依赖人工操作的手眼协调优势来完成这种复杂的上袋作业。人工上袋不仅劳动强度大、效率低，而且现场装袋工人无法避免地暴露在现场的粉尘中，遭受到粉尘污染危害，其作业场所已经成为国家安监局职业健康执法检查的重点。
为了有效地改善粉体生产企业的生产环境，降低粉体包装的劳动强度，满足企业提高自动化程度和生产效率的新要求，粉体包装过程中，由可靠的阀口袋自动上袋装置取代人工上袋势在必行。
在工业自动化机器人的使用日益普遍，其设计也趋于成熟。机器人本体的活动臂可带动末端操作器实现多维路径的移动，完成各种操作。但要让现有机器人完成阀口袋的自动上袋，需要设计专用的末端操作器。
技术实现要素：
本发明目的在于公开一种阀口袋自动上袋机器人的末端操作器及运行方法，其安装框架与机器人本体的腕部末端连接，其上安装了拾取模块、夹紧模块和开袋模块，在末端操作器的控制器操纵下可完成阀口袋的吸附拾取、夹紧、开袋和套袋等自动上袋作业。
本发明公开的一种阀口袋自动上袋机器人的末端操作器，其安装框架与机器人本体的腕部末端连接，安装框架上安装有拾取模块、夹紧模块和开袋模块。
所述安装框架包括主底板、副底板和连接板，连接板连接主底板和副底板，机器人本体的腕部末端与连接板连接。主底板、副底板和连接板的板面相互平行。连接板的中心线处于主底板中心线的垂直平分线上。所述副底板固定于连接板的一侧。
所述拾取模块包括回转气缸、吸盘安装轴和拾取吸盘。轴承座固定于主底板下方，吸盘安装轴经轴承安装于轴承座，吸盘安装轴与主底板平行，回转气缸固定于主底板一端下方，其输出轴与吸盘安装轴连接。2～4个拾取吸盘经吸盘柄均布固定安装于吸盘安装轴，各吸盘柄的中心线处于同一平面，各吸盘柄垂直于吸盘安装轴，拾取吸盘盘面垂直于其吸盘柄。回转气缸的输出轴回转角度为90°，吸盘安装轴有两个工作位置，其一为吸盘柄与主底板垂直，拾取吸盘朝向主底板下方，另一为吸盘柄与主底板平行朝副底板方向。各拾取吸盘与拾取气泵连接。
所述吸盘柄与吸盘安装轴垂直，吸盘盘面与吸盘柄垂直。
所述回转气缸的输出轴经联轴器与吸盘安装轴连接。联轴器对偏心、偏角、轴向冲击进行补偿以保证拾取模块各部件的安全耐用。
所述夹紧模块包括夹紧气缸、主夹板和副夹板，主夹板固定于主底板内侧，其板面与主底板板面垂直；夹紧气缸缸体固定于副底板，其直线运动的活塞杆前端连接副夹板，副夹板与主夹板平行相对。当夹紧气缸的活塞杆伸出，副夹板向主夹板靠近至相互贴合、夹紧二者之间的阀口袋。夹紧气缸的活塞杆回缩，副夹板退回，与主夹板之间保持距离。
所述主、副夹板的长度等于或小于阀口内侧与阀口袋另一侧边的宽度，大于该宽度的2/3，所述主、副夹板的一端与阀口袋无阀口的侧边相平。
所述主、副夹板相对的面上各固定有2个以上的弹性夹紧块，所述主、副夹板上的弹性夹紧块一一相对，以保证可靠夹紧阀口袋。
所述夹紧气缸为双轴气缸，以承受一定的侧向载荷。
所述开袋模块包括开袋气缸、开袋架和开袋吸盘，主底板一端安装回转气缸，另一端安装开袋气缸，开袋气缸缸体固定于主底板，主底板固定导轨，导轨与吸盘安装轴垂直，开袋架固定于嵌于导轨的滑块，开袋气缸活塞杆与滑块连接，带动开袋架在导轨上移动，1～3个开袋吸盘固定于开袋架上，各开袋吸盘盘面处于与主夹板板面平行的平面上。副底板上安装有相同的另一套开袋模块，主、副底板上的开袋吸盘均与开袋气泵连接。
所述开袋气缸为紧凑型滑台气缸，其缸体上集成了导轨滑块组，使本模块结构更紧凑。
所述末端操作器的控制器为机器人控制器或者是自动上袋系统的系统控制模块。
所述回转气缸、夹紧气缸、开袋气缸、拾取气泵和开袋气泵连接的气路上的电磁阀均与末端操作器的控制器连接，且所述回转气缸、夹紧气缸、开袋气缸均安装有气缸用传感器组件，各传感器组件与末端操作器的控制器连接。
还配置了套袋监测模块，为一对颜色传感器，其为对阀口袋阀口表面颜色和灌装粉料的喂料管表面颜色产生不同信号的传感器。所述两个颜色传感器分别安装于主、副底板一端，位于开袋吸盘上方，所述二颜色传感器的信号线与末端操作器的控制器相连接。
本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法如下：
Ⅰ、拾袋
空袋输出机将阀口袋从袋库送出，阀口袋停在视觉模块相机下方的拍照工位，视觉模块得到阀口袋阀口的位置坐标信息，并传送给机器人控制器；机器人控制器根据处于拍照工位的阀口袋阀口的位置坐标信息规划未端操作器的拾取路径，调节末端操作器的多个拾取吸盘的中心连线平行于拍照工位上的阀口袋前端，机器人本体将末端操作器移至各拾取吸盘的中心连线与阀口袋前端的距离为3～15cm，并将末端操作器下放至拾取吸盘与阀口袋表面贴合；接通拾取气泵，内部真空的拾取吸盘吸住阀口袋。之后，机器人本体将末端操作器升起，达到阀口袋的高度，同时，末端操作器的回转气缸动作，拾取吸盘与吸盘安装轴一起转动90°，将其吸附的阀口袋上端插入主、副夹板之间。
Ⅱ、夹袋
夹紧气缸动作，相对的主、副夹板相互靠近贴合、夹紧阀口袋上端。拾取气泵断开，拾取吸盘放开阀口袋，回转气缸动作，拾取吸盘复位为在主底板下方，吸盘柄竖直向下。阀口袋上端夹在主、副夹板之间，袋体下垂；
Ⅲ、开袋
主、副底板上的开袋气缸动作，驱动各自连接的开袋架相向运动，至两个开袋架上的开袋吸盘分别贴合于阀口袋阀口的两个侧面停止；开袋气泵动作，开袋吸盘吸牢阀口外壁；开袋气缸反向动作2个开袋吸盘背向运动，拉着阀口外壁打开阀口；开袋气缸停止，阀口完全打开；
Ⅳ、套袋
机器人控制器按拍照工位上阀口袋阀口的位置坐标信息，以经过拾取路径后的阀口当前位置为起点、喂料管所处位置为终点规划末端操作器的套袋路径，按该路径控制机器人本体带动末端操作器和其上的阀口袋向喂料管移动，将阀口套入喂料管。套袋完成后，开袋气泵断开，开袋吸盘放开阀口。
Ⅴ、监控
所述颜色传感器监控套袋过程，阀口袋被夹在主、副夹板之间后，二颜色传感器检测的是阀口袋表面，当阀口套入到位，阀口包裹喂料管，颜色传感器检测到的颜色不变，无改变的信号发出，说明套袋成功。当阀口套入不当，阀口不能完全包覆喂料管，颜色传感器将检测到对应喂料管表面的颜色，即发出不同信号，系统控制模块以此信号为套袋失败信号，中止系统作业并报警。
与现有技术相比，本发明一种阀口袋自动上袋机器人的末端操作器及运行方法具有以下有益效果：1、便于与机器人活动臂腕部末端连接，在机器人控制器的操纵下能完成吸附拾取、夹紧、开袋、套袋和监测等多项阀口袋上袋作业；2、配置商业化成熟的专用气缸、气泵和联轴器、轴承等，集成化设计，简化了机械结构，可靠性获得较大的提升，且整体装置更紧凑；3、各气缸为压缩空气驱动，实现成本低，抗污染能力优，适合于阀口袋粉料包装作业场所；所述回转气缸、夹紧气缸、开袋气缸均安装有气缸用传感器组件，可以将气缸的动作到位信息反馈给控制系统，控制系统通过简单的逻辑编程即可对装置实现控制；4、回转气缸输出轴经联轴器与吸盘安装轴连接，联轴器具备一定的偏心、偏角、轴向补偿功能，以确保吸附拾取模块经久耐用。
附图说明
图1为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器实施例从上往下看的整体结构示意图；
图2为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器实施例从下往上看的整体结构示意图；
图3为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例的流程图；
图4为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例拾取阀口袋时的状态图；
图5为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例拾取吸盘摆动将阀口袋上端插入夹紧模块的主、副夹板之间的状态图；
图6为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例开袋完成后的状态图；
图7为本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例套袋成功的状态图。
图中标号为：0阀口袋，1、安装框架，11、主底板，12、连接板，13、副底板，2、拾取模块，21、回转气缸，22、联轴器，23、轴承座，24、吸盘安装轴，25、拾取吸盘，3、夹紧模块，31、主夹板，32、夹紧块，33、副夹板，34、夹紧气缸，4、开袋模块，41、开袋架，42、开袋吸盘，43、开袋气缸，5、颜色传感器，6、喂料管。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式例对本发明的技术方案作进一步说明。
阀口袋自动上袋机器人的末端操作器实施例
本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器实施例如图1和图2所示，
其安装框架1与机器人本体的腕部末端连接，本例安装框架1上安装有拾取模块2、夹紧模块3和开袋模块4。
本例安装框架1包括主底板11、副底板13和连接板12，本例连接板12的中心线处于主底板11中心线的垂直平分线上；所述副底板13固定于连接板12的一侧，主底板11、副底板13和连接板12的板面相互平行。连接板12连接主底板11和副底板13。机器人本体的腕部末端与连接板12连接。本实施例适用于多种机器人，只需改变连接板12上的连接件即可与不同的机器人本体的腕部末端连接。
如图2和图4所示，本例拾取模块2包括回转气缸21、吸盘安装轴24和拾取吸盘25；轴承座23固定于主底板11下方，吸盘安装轴24经轴承安装于轴承座23，吸盘安装轴24与主底板11平行，回转气缸21固定于主底板11一端下方，其输出轴经联轴器22与吸盘安装轴24连接；3个拾取吸盘25经吸盘柄均布固定安装于吸盘安装轴24，各吸盘柄的中心线处于同一平面，各吸盘柄垂直于吸盘安装轴24，拾取吸盘25盘面垂直于其吸盘柄；回转气缸21的输出轴回转角度为90°，吸盘安装轴24有两个工作位置，其一为吸盘柄与主底板11垂直朝向主底板11下方，另一为吸盘安装轴24转动90度、吸盘柄与主底板11平行、拾取吸盘25朝副底板13方向；各拾取吸盘25与拾取气泵连接。
如图4、5所示，本例夹紧模块3包括夹紧气缸34、主夹板31和副夹板33，主夹板31固定于主底板11内侧，其板面与主底板11板面垂直；夹紧气缸34缸体固定于副底板13，其直线运动的活塞杆前端连接副夹板33，副夹板33与主夹板31平行相对；当夹紧气缸34的活塞杆伸出，副夹板33向主夹板31靠近至相互贴合；夹紧气缸34的活塞杆回缩，副夹板33退回，与主夹板31之间保持距离。
本例主、副夹板31、33的长度等于阀口内侧与阀口袋0另一侧边的宽度，主、副夹板31、33的一端与阀口袋0无阀口的侧边相平。
本例主、副夹板31、33相对的面上各固定有2个弹性夹紧块32，主、副夹板31、33上的弹性夹紧块32一一相对。
本例夹紧气缸34为双轴气缸。
如图6、7所示，开袋模块4包括开袋气缸43、开袋架41和开袋吸盘42，主底板11一端安装回转气缸21，另一端安装开袋气缸43，开袋气缸43缸体固定于主底板11，主底板11上固定导轨，导轨与吸盘安装轴24垂直，开袋架41固定于嵌于导轨的滑块，开袋气缸43活塞杆与滑块连接，带动开袋架41在导轨上移动；1个开袋吸盘42固定于开袋架41上，各开袋吸盘42盘面处于与主夹板11板面平行的平面上；副底板13上安装有相同的另一套开袋模块，主、副底板11、13上的开袋吸盘42均与开袋气泵连接；本例开袋气缸43为紧凑型滑台气缸，其缸体上集成了导轨滑块组。
本例回转气缸21、夹紧气缸34、开袋气缸43、拾取气泵和开袋气泵连接的气路上的电磁阀均与末端操作器的控制器连接，且所述回转气缸21、夹紧气缸34、开袋气缸43均安装有气缸用传感器组件，各传感器组件与末端操作器的控制器连接。
本例还配置了套袋监测模块，为一对颜色传感器5，其为对阀口袋0阀口表面颜色和灌装粉料的喂料管6表面颜色产生不同信号的传感器；所述两个颜色传感器5分别安装于主、副底板11、13一端，位于开袋吸盘42上方，所述二颜色传感器5的信号线与末端操作器的控制器相连接。
阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例
本阀口袋自动上袋机器人的末端操作器的运行方法实施例是在上述阀口袋自动上袋机器人的末端操作器实施例上进行运行的方法实施例，其流程图如图3所示，主要步骤如下：
Ⅰ、拾袋
空袋输送机将阀口袋0从袋库送出，阀口袋0停在视觉模块相机下方的拍照工位，视觉模块得到阀口袋阀口的位置坐标信息并传送给机器人控制器；机器人控制器根据处于拍照工位的阀口袋0阀口的位置坐标信息规划未端操作器的拾取路径，调节末端操作器的多个拾取吸盘25的中心连线平行于拍照工位上的阀口袋0前端，机器人本体将末端操作器移至各拾取吸盘25的中心连线与阀口袋0前端的距离为3～15cm，并将末端操作器下放至拾取吸盘25与阀口袋0表面贴合；如图4所示。接通拾取气泵，内部真空的拾取吸盘吸住阀口袋0；之后，机器人本体将末端操作器升起，达到阀口袋0的高度，同时，末端操作器的回转气缸21动作，拾取吸盘25与吸盘安装轴24一起转动90°，将其吸附的阀口袋0上端插入主、副夹板31、33之间；如图5所示。
Ⅱ、夹袋
夹紧气缸34动作，相对的主、副夹板31、33相互靠近贴合，夹紧阀口袋0上端；拾取气泵断开，拾取吸盘25放开阀口袋0，回转气缸21动作，拾取吸盘25复位为在主底板11下方，吸盘柄竖直向下；阀口袋0上端夹在主、副夹板31、33之间，袋体下垂；如图6所示。
Ⅲ、开袋
主、副底板11、13上的开袋气缸43动作，驱动各自连接的开袋架41相向运动，至两个开袋架41上的开袋吸盘42分别贴合于阀口袋0阀口的两个侧面停止；开袋气泵动作，开袋吸盘42吸牢阀口外壁；开袋气缸43反向动作2个开袋吸盘42背向运动，拉着阀口外壁打开阀口；开袋气缸43停止，阀口完全打开；如图6所示。
Ⅳ、套袋
机器人控制器按拍照工位上阀口袋0阀口的的位置坐标信息，以经过拾取路径后的阀口当前位置为起点、喂料管6所处位置为终点，规划末端操作器的套袋路径，按该路径控制机器人本体带动末端操作器和其上的阀口袋0向喂料管6移动，将阀口套入喂料管6；如图7所示。套袋完成后，开袋气泵断开，开袋吸盘42放开阀口。
Ⅴ、监控；
所述颜色传感器5监控套袋过程，阀口袋0被夹在主、副夹板31、33之间后，二颜色传感器5检测的是阀口袋0表面，当阀口套入到位，阀口包裹喂料管6，颜色传感器6检测到的颜色不变，无改变的信号发出，说明套袋成功；当阀口套入不当，阀口不能完全包覆喂料管6，颜色传感器5将检测到对应喂料管6表面的颜色，即发出不同信号，系统控制模块以此信号为套袋失败信号，中止系统作业并报警。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。