數(shù)控機床上下料用工業(yè)機器人的手爪設(shè)計

劉宇斐 周清華

（廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458）

0 引言

小型化、精密化、規(guī)?；偷统杀净悄壳肮I(yè)消費品的發(fā)展趨勢，近年來，基于工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)用工成本的提高，珠三角的機械加工企業(yè)在競爭激烈的市場中謀求轉(zhuǎn)型，在生產(chǎn)制造過程中紛紛引入集成加工技術(shù)，以期在降低用人成本的同時，實現(xiàn)制造系統(tǒng)的自動化、柔性化、規(guī)模化和精確化，提高競爭力。工業(yè)生產(chǎn)自動化是在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用各種自動控制、自動檢測和自動調(diào)整裝置，對生產(chǎn)過程中進行自動測量、檢驗、計算、控制、監(jiān)視等，以代替人來操縱機器設(shè)備［1］。自動化是生產(chǎn)機械化的更高階段，也是工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的基本方向之一。一般來說，工業(yè)機器人與數(shù)控機床要協(xié)同作業(yè)，需通過一個末端執(zhí)行機構(gòu)將它們串聯(lián)起來，而這個機構(gòu)一般稱之為機器人手爪。進行機械加工的工件是多種多樣的，不同的工件需根據(jù)其材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝設(shè)計不同的手爪，手爪中輔以氣動、液壓、傳感器等技術(shù)，來滿足工件自動上下料的要求。手爪的結(jié)構(gòu)、性能如何往往決定整個工藝方案的成敗，所以方案設(shè)計必須執(zhí)行設(shè)計依據(jù)收集、設(shè)計方案制定和方案論證的設(shè)計流程。下面就以某設(shè)備上的殼體加工過程為例，對其進行自動上下料的機器人手爪開發(fā)過程予以說明。

1 手爪設(shè)計的工藝條件及相關(guān)要求

（1）工件：某設(shè)備殼體為鋁鎂合金鑄件，如圖1所示。（2）機加工要求：待加工表面如圖2所示，為大小2個內(nèi)圓孔表面及1個止口。（3）柔性要求：要求1套手爪能適應(yīng)裝夾10種以上類似工件。（4）設(shè)備配置比例：機器人數(shù)量∶數(shù)控機床數(shù)量≥1∶2。（5）機器人自由度要求：要求能順利完成上下料的動作。在一般情況下，靈活性高的工業(yè)機器人，其外圍設(shè)備較簡單，可適應(yīng)產(chǎn)品型號的變化；反之，靈活性低的工業(yè)機器人，其外圍設(shè)備較復(fù)雜［2］。（6）適配數(shù)控機床：Brother TC-S2A。（7）數(shù)控機床封閉高度：380 mm。（8）數(shù)控機床夾緊工裝臺高度：135 mm。（9）裝模高度（數(shù)控機床封閉高度－數(shù)控機床夾緊工裝臺高度）：245 mm。

圖1 某設(shè)備殼體零件

圖2 殼體零件工藝要求標(biāo)注示意圖

2 工藝分析

（1）機器人選型：根據(jù)上下料的動作、單工序抓取零件重量和預(yù)估手爪重量選擇六軸機器人，定型為KUKA KR16，送料有較高的可靠性和靈活性。（2）設(shè)備配置比例及布局：根據(jù)機器人送料速度、一次性耗時及數(shù)控機床機加時間、上下料時間形成的工藝節(jié)拍確定采用以六軸機器人為中心，機器人圓周放射性排列的1∶3布局方式，便于送料方案展開。（3）換位機構(gòu)：考慮到機床的封閉高度較低，機器人手爪擬采用雙位旋轉(zhuǎn)換位結(jié)構(gòu)。（4）公共裝夾要素提取：考慮到本方案中待開發(fā)手爪需應(yīng)對10種以上相似工件，因此要找出他們通用共性的裝夾、定位要素。經(jīng)分析得知，在這一組件中公共裝夾要素是它的上邊外圓即圖中的夾緊邊圓和中心錐孔［3］。以上分析已經(jīng)基本確定送料方案。

3 裝夾方案的確定

3.1 方案1：彈簧夾頭夾緊

（1）工作方式：工件處于定位后的工位上，彈簧夾頭對中插入?？繌椥詩A頭的向外彈性張力夾持工件，如圖3所示。（2）方案評價：此方案結(jié)構(gòu)簡單。使用彈性夾頭利用錐中心孔定位。然而本方案有兩大缺點，其一是錐中心孔的1／2錐度必須小于摩擦角，否則在工件向上力撤出后工件會滑出；其二是本方案中機器人手爪采用雙位旋轉(zhuǎn)換位結(jié)構(gòu)不允許手爪受向上的外力，而此結(jié)構(gòu)恰恰有向上的力，所以此方案不可行。

圖3 彈簧夾頭夾緊

3.2 方案2：帶芯軸的彈簧夾頭夾緊

（1）工作方式：工件處于定位后的工位上。首先芯軸插入到位，然后彈簧夾頭插入，靠彈性夾頭的楔入形成的摩擦力夾持工件，如圖4所示。（2）方案評價：此方案是在假設(shè)錐中心孔的1／2錐度小于摩擦角的情況下確立的，該方案與方案1的不同是增加了一個芯軸，目的是消除一個施加給手爪的向上外力，即是利用芯軸將施加給手爪的外力轉(zhuǎn)化成手爪機構(gòu)的內(nèi)力。該方案的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，手爪總重難以控制在16 kg以內(nèi)，由于約束條件太多，暫時列為備選方案。

圖4 帶芯軸的彈簧夾頭夾緊

3.3 方案3：定心芯軸與邊圓定心夾爪組合定位夾緊

（1）工作方式：工件處于定位后的工位上，定心芯軸緩緩插入，到達指定位置后，邊圓定心夾爪夾緊工件上邊圓，靠邊圓定心夾爪夾緊工件；定心軸起到定心作用兼具起到運動時防偏轉(zhuǎn)作用，如圖5所示。

（2）方案評價：本方案是采用定心芯軸與邊圓定心夾爪組合方式的定位夾緊方式，可消除工件的5個自由度，特點是結(jié)構(gòu)簡單、定位夾緊可靠、重量輕。

綜上所述，從設(shè)備的效率、成本、重量和可靠性方面綜合考慮，方案3是最優(yōu)方案。

圖5 定心芯軸與邊圓定心夾爪組合定位夾緊

4 手爪整體結(jié)構(gòu)確定

手爪作為機械結(jié)構(gòu)，應(yīng)該滿足的基本條件是：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡單和造型美觀等［3］。本次設(shè)計充分會充分遵循了以上原則。依據(jù)工藝要求、工藝分析和方案論證，確定定心芯軸與邊圓定心夾爪組合定位夾緊方案?？紤]數(shù)控機床的裝模高度等因素確定手爪的結(jié)構(gòu)形式：采用雙位旋轉(zhuǎn)換位結(jié)構(gòu)。考慮運行效率、系統(tǒng)剛度等因素安排工位：本方案上下料各安排3個工位。

5 手爪總成

綜合如上因素設(shè)計的手爪如圖6所示。其中一組（同邊3個上料工位）用于上料，另一組（另一邊3個上料工位）用于卸料。目前，手爪總成已經(jīng)應(yīng)用在自動化制造系統(tǒng)當(dāng)中，保持著高效率和高可靠性，工作狀態(tài)如圖7所示。

圖6 手爪三維示意圖

圖7 手爪系統(tǒng)總成實物圖

6 結(jié)語

工業(yè)機器人與數(shù)控機床間的機構(gòu)、裝置適配設(shè)計是一項綜合的精密的設(shè)計工作。要考慮定位、夾緊合理性、系統(tǒng)剛度、受力條件、工序節(jié)拍、運動特性、接口特點、工況控制特征等綜合因素影響，所以制定、遵循一套科學(xué)的設(shè)計論證流程是必要的。

［1］吳明亮，樊明龍.自動化生產(chǎn)線技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011

［2］孫樹棟.工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006