抓取裝置的模塊化設(shè)計(jì)

熊艷華 趙 偉 梁 楠

（武漢人天包裝技術(shù)有限公司中南包裝機(jī)械研究所，湖北 武漢 430205）

模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種新思路，它是在不改變產(chǎn)品整體功能的前提下，通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，或者是對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行重新排序，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品的某些零件來改進(jìn)產(chǎn)品，從而形成的一種新型設(shè)計(jì)方法［1，2］。20世紀(jì)初，歐美一些國家的開發(fā)人員首先提出模塊化設(shè)計(jì)的概念［3］，通過設(shè)計(jì)一些不同規(guī)格尺寸的架體、底座，用它們組成一組功能相同卻有不同規(guī)格的產(chǎn)品系列［4］，為現(xiàn)代的模塊化設(shè)計(jì)思路作了一個鋪墊。在技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展過程中，模塊化設(shè)計(jì)被越來越多的設(shè)計(jì)開發(fā)人員認(rèn)識理解并應(yīng)用，就形成了現(xiàn)代的模塊化設(shè)計(jì)理念。

模塊化產(chǎn)品，顧名思義，就是將產(chǎn)品劃分為一個個模塊［5］，這些模塊相對獨(dú)立，具有獨(dú)立的功能和獨(dú)立的輸入輸出部件，但又能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體功能。目前，越來越多的專家關(guān)注模塊化設(shè)計(jì)思想，對于其分類也從不同的角度給予了不同的說法?？偟膩碚f可以歸納為兩類：① 按產(chǎn)品的功能來分解模塊的模塊化設(shè)計(jì)方法［6］。該種方法主要以產(chǎn)品整體的功能為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析產(chǎn)品功能的階段點(diǎn)，并根據(jù)不同的功能點(diǎn)將產(chǎn)品劃分為各個相對獨(dú)立的單元模塊，通過這些單元模塊的不同分配組合來構(gòu)成滿足不同的客戶需求的不同產(chǎn)品。該種分配方法沒有將各個模塊內(nèi)部的細(xì)部結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。② 按產(chǎn)品或零部件的結(jié)構(gòu)來組成分模塊的模塊化設(shè)計(jì)方法［6］。該種方法主要分析了產(chǎn)品零部件的具體結(jié)構(gòu)，從整體細(xì)部結(jié)構(gòu)來確定各個分模塊的結(jié)構(gòu)，通過對分模塊的重組來形成該產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)。但該種方法涉及的面比較窄，只適用于結(jié)構(gòu)相對比較簡單，僅某個零部件形狀比較復(fù)雜的產(chǎn)品。

模塊化設(shè)計(jì)的主要目的是適應(yīng)不同的產(chǎn)品模式，以低成本生產(chǎn)出盡可能多的適應(yīng)市場發(fā)展的產(chǎn)品，確保產(chǎn)品的實(shí)用性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性在市場上立于不敗之地。同時由于組成產(chǎn)品的這些分模塊在不改變產(chǎn)品整體性能的基礎(chǔ)上，可以有不同的組合和分配，這樣根據(jù)組合原理，各個分模塊的不同配置又能形成多樣化的產(chǎn)品，這樣也使企業(yè)開發(fā)出了系列產(chǎn)品，利于滿足不同客戶的各種需求。

目前機(jī)器人抓手的應(yīng)用比較廣泛，但是就成本而言，抓取裝置的設(shè)計(jì)成本明顯更適應(yīng)大多數(shù)企業(yè)的發(fā)展。本試驗(yàn)中研究的抓取裝置是取代機(jī)器人抓手的一種新型設(shè)計(jì)，主要用于生產(chǎn)線上的輸送線成品物料的抓?。?］。本試驗(yàn)以抓取裝置為例，分析了抓取裝置的細(xì)部結(jié)構(gòu)和主要功能，從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上主要考慮了各個分部件的銜接和分部件內(nèi)部的設(shè)計(jì)，從功能的重組上主要考慮了整體裝置的功能，其中重點(diǎn)對按功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法作了一定的詮釋，對各個分模塊作了細(xì)節(jié)上的描述和分析。

1 抓取裝置的模塊組成

抓取裝置主要包括以下幾個模塊：附件安裝模塊、抓取模塊、吸取模塊以及相應(yīng)的氣缸模塊。如圖1所示。

圖1 抓取裝置模塊Figure 1 Modular of snatch equipment

1.1 附件安裝模塊

附件模塊中主要包括的模塊有：與相應(yīng)機(jī)器人配套的法蘭模塊，支撐抓取裝置的框架模塊，以及與機(jī)器人配套的氣動元件模塊（真空發(fā)生器、調(diào)壓閥、電磁閥、消聲器、氣管等）［8］。如圖2所示。

圖2 附件安裝模塊Figure 2 Modular of accessory equipment

在功能分配上，本模塊主要是完成氣路和真空系統(tǒng)的通暢。在結(jié)構(gòu)上，本模塊主要是完成抓取系統(tǒng)和機(jī)器人的連接。本模塊的獨(dú)立性在于，可以針對不同的機(jī)器人及客戶的其他需求進(jìn)行法蘭和框架的結(jié)構(gòu)及功能上的設(shè)計(jì)和修改。

1.2 抓取模塊

抓取模塊中主要包括的模塊有：夾取模塊及相應(yīng)的氣缸模塊，滑塊模塊，支撐結(jié)構(gòu)模塊［8］。如圖3所示。

圖3 抓取模塊Figure 3 Modular of snatch

在功能分配上，本模塊主要是完成輸送線成品物料的抓?。?］。在結(jié)構(gòu)上，本模塊主要是完成抓取系統(tǒng)和附件安裝模塊的連接。本模塊的獨(dú)立性在于，可以適應(yīng)于不同的成品物料結(jié)構(gòu)和類型及客戶的其他需求，并能根據(jù)這些進(jìn)行結(jié)構(gòu)及功能上的設(shè)計(jì)和修改。成品物料的結(jié)構(gòu)變化可以通過夾取模塊的結(jié)構(gòu)變化、滑塊模塊中滑塊的行程更換、氣缸模塊中的氣缸行程及安裝結(jié)構(gòu)的變化來適應(yīng)。本模塊還可通過設(shè)計(jì)和更改支撐模塊中的零部件來適應(yīng)不同成品物料的體積和重量。

1.3 吸取模塊

吸取模塊中主要包括的模塊有：吸盤模塊及相應(yīng)的氣缸模塊，支撐結(jié)構(gòu)模塊。如圖4所示。

圖4 吸取模塊Figure 4 Modular of imbibition

在功能分配上，本模塊主要是配合抓取模塊完成輸送線成品物料的吸?。?］。在結(jié)構(gòu)上，本模塊主要是完成與抓取系統(tǒng)的連接。本模塊的獨(dú)立性在于，對不同的成品物料結(jié)構(gòu)和類型，均能根據(jù)此模塊的改進(jìn)來設(shè)計(jì)出相適應(yīng)的類型，且對于客戶的其他需求也能進(jìn)行結(jié)構(gòu)及功能上的設(shè)計(jì)和修改。成品物料的結(jié)構(gòu)變化可以通過支撐模塊的結(jié)構(gòu)變化、氣缸模塊中的氣缸行程及安裝結(jié)構(gòu)的變化來適應(yīng)。本模塊還可通過設(shè)計(jì)和更改吸盤模塊中的零部件來適應(yīng)不同類型的成品物料及相應(yīng)的體積和重量。

2 抓取裝置的模塊化設(shè)計(jì)研究

模塊是模塊化設(shè)計(jì)和制造的功能單元的基礎(chǔ)［10］，有以下幾個特點(diǎn)：

（1）相對獨(dú)立性，這就意味著對各個模塊可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)試，也便于由不同的專業(yè)化企業(yè)分別進(jìn)行生產(chǎn)。本抓取裝置的各模塊在設(shè)計(jì)過程中遵循了獨(dú)立性原則，在裝配和調(diào)試上均可單獨(dú)進(jìn)行，確保設(shè)計(jì)的完整和可實(shí)現(xiàn)性。

（2）互換性［11］，通過對模塊接口處的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使各模塊之間具有互換性，從而使模塊滿足不同產(chǎn)品的需求。本抓取裝置設(shè)計(jì)的各個模塊在接口部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用市場可購買的成品件，如型材、角鋼等，使得整個產(chǎn)品的可互換性更合理，能滿足客戶的不同產(chǎn)品的規(guī)格需求。

（3）通用性，使各個模塊在該領(lǐng)域內(nèi)具有通用功能，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品間的模塊的通用。本抓取裝置的研究在模塊的通用性上針對了各生產(chǎn)線上的所有機(jī)器人系列的物料抓取。

模塊是模塊化設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)［10，12］，設(shè)計(jì)開發(fā)人員對模塊的關(guān)注度也反映了模塊化設(shè)計(jì)的推廣程度，也是一種新的設(shè)計(jì)理念的實(shí)施。本試驗(yàn)利用已有的經(jīng)過生產(chǎn)和市場驗(yàn)證的模塊，如結(jié)構(gòu)上的型材角鋼、功能上的氣缸傳動設(shè)計(jì)等，不僅降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，也在一定程度上提高了產(chǎn)品的可靠性。本試驗(yàn)以不改變產(chǎn)品的整體性能為開發(fā)原則，在抓取裝置中通過升級其中的單個模塊的性能或改變其中的結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品的整體性能和可靠性，且不對產(chǎn)品的其它模塊產(chǎn)生影響。各個分模塊在功能上的獨(dú)立性和一致性，使各個分模塊可以相對獨(dú)立地開發(fā)設(shè)計(jì)、改進(jìn)和驗(yàn)證，從而形成一種新的產(chǎn)品模式。針對客戶的多樣性需求可以對各個模塊進(jìn)行不同組合，不同配置，確保這些組合能在最大程度上反映產(chǎn)品功能要求并能適應(yīng)市場需求。

3 總結(jié)

抓取裝置的模塊化設(shè)計(jì)的研究目的主要表現(xiàn)在3個方面：以低成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化、提高產(chǎn)品的利用率、促進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

模塊化的意圖和最終目的就是為了滿足人們對多樣化的需求和適應(yīng)激烈的市場競爭，實(shí)現(xiàn)最佳的效益和質(zhì)量。企業(yè)應(yīng)該把模塊化設(shè)計(jì)擴(kuò)展到產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)的設(shè)計(jì)上，提高自身的創(chuàng)新速度，增加市場競爭力。

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