氣動(dòng)可伸縮折疊旋轉(zhuǎn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

張德福

(廣東技術(shù)師范大學(xué)天河學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510540)

0 引言

機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人[1]末端執(zhí)行器，用來抓取工件，機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式，其中氣動(dòng)機(jī)械手用空氣作為工作介質(zhì)具有氣源方便、動(dòng)作迅速、造價(jià)低、維修方便、無污染等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，氣動(dòng)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣缸和手指，手指抓取動(dòng)作由控制系統(tǒng)PLC或單片機(jī)等編制程序控制。

氣動(dòng)在機(jī)器人末端執(zhí)行器作為動(dòng)力應(yīng)用廣，根據(jù)不同的抓取工件機(jī)械手可以分為卡鉗式和吸附式，很多人對氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了許多的研究，李小慶[2]設(shè)計(jì)的三自由度氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.垂直升降缸 2.水平移動(dòng)氣缸 3.夾緊氣缸 4.機(jī)械手部 5.旋轉(zhuǎn)氣缸 6.底座

該機(jī)械手的工作原理：垂直升降氣缸提供機(jī)械手的垂直上下移動(dòng)動(dòng)力，機(jī)械手的伸縮運(yùn)動(dòng)依靠水平氣缸提供動(dòng)力；旋轉(zhuǎn)氣缸為機(jī)械臂機(jī)身的回轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。4號部件是機(jī)械手的末端執(zhí)行器，它依靠氣缸驅(qū)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給手指，從而實(shí)現(xiàn)夾緊和松開。該機(jī)械手只有一個(gè)夾鉗式機(jī)械手，且只有三個(gè)自由度，空間姿態(tài)受到限制；沒有吸附機(jī)械手，只能抓取不能吸附板類工件，結(jié)構(gòu)單一。

陳珂[3]設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)

該機(jī)械手6個(gè)關(guān)節(jié)是串聯(lián)一起，共有6個(gè)電機(jī)和6個(gè)減速器，這個(gè)結(jié)構(gòu)使機(jī)械手重量增加，增加其運(yùn)動(dòng)慣性和定位誤差，不能保證機(jī)械手抓取精度，且只能安裝一種機(jī)械手，占有空間大，不能伸縮折疊。

通過對多例氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析，本文針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)可伸縮折疊旋轉(zhuǎn)機(jī)械手(以下簡稱機(jī)械手)，其具有夾鉗式和吸盤式兩種抓取方式，并且夾鉗式和吸盤式機(jī)械手可以伸縮折疊，機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)角度由角度傳感器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手主體的旋轉(zhuǎn)與機(jī)器人臂部各關(guān)節(jié)配合實(shí)現(xiàn)在空間多角度靈活操作，安裝在一臺機(jī)器人手腕上，可實(shí)現(xiàn)對不同形狀零件的抓取或吸附，增加機(jī)械手抓取零件過程中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，減少定位誤差和裝卡抓取誤差，減少設(shè)備投入，降低成本投入。

1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖3所示為氣動(dòng)可伸縮折疊旋轉(zhuǎn)機(jī)械手執(zhí)行部分的總體結(jié)構(gòu)。

1.真空吸盤 2.吸盤拉桿 3.連桿圓柱銷 4.夾鉗機(jī)械手 5.雙作用氣缸活塞桿連接銷 6.雙作用氣缸 7.氣缸固定板 8.氣缸推板 9.推板連接銷 10.推板氣缸 11.吸盤拉桿氣缸連接銷 12.機(jī)械手主體 13.推板氣缸連接銷 14.氣缸推板導(dǎo)向鍵 15.吸盤拉桿氣缸

1.2 工作原理

1.2.1 真空吸盤式機(jī)械手的展開吸附和折疊收回

如圖4中上圖所示，吸盤拉桿氣缸活塞桿伸出帶動(dòng)吸盤拉桿由水平位置運(yùn)動(dòng)到豎立位置，此時(shí)必須保證面A與面B接觸良好，保證多個(gè)真空吸盤能同時(shí)吸附在工件同一個(gè)平面上，且吸附力均勻。真空吸盤不使用時(shí)吸盤拉桿氣缸活塞桿收回帶動(dòng)吸盤拉桿由豎立位置運(yùn)動(dòng)到水平位置完成折疊，見圖4中下圖。

1.真空吸盤 2.吸盤拉桿 3.連桿圓柱銷 4.夾鉗機(jī)械手 5.雙作用氣缸活塞桿連接銷 6.雙作用氣缸 7.氣缸固定板 8.雙作用氣缸氣缸安裝板 9.推板連接銷 10.推板氣缸 11.吸盤拉桿氣缸連接銷 12.機(jī)械手主體 13.推板氣缸連接銷 14.氣缸推板導(dǎo)向鍵 15.吸盤拉桿氣缸 16.吸盤拉桿氣缸連接銷 17.機(jī)械手主體氣管通孔 18.角度傳感器 19.伺服電機(jī) 20.伺服電機(jī)固定螺栓 21.傳動(dòng)平鍵 22機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)座 23、24.機(jī)械手腕連接盤連接螺栓、螺母 25.機(jī)械手腕連接盤 26.限位擋板1 27.限位擋板2

1.2.2 夾鉗機(jī)械手的伸出和縮回

(1)伸出

推板氣缸的活塞桿伸出帶動(dòng)氣缸推板沿氣缸推板導(dǎo)向鍵把夾鉗機(jī)械手與雙作用氣缸推出機(jī)械手主體外，雙作用氣缸的雙活塞桿伸出帶動(dòng)夾鉗機(jī)械手向兩側(cè)移動(dòng)打開，達(dá)到大于被夾持工件的最大尺寸后停止雙作用氣缸的雙活塞桿伸出，然后雙活塞桿收回夾持工件。[4]

(2)縮回

不使用夾鉗機(jī)械手時(shí)，先使雙作用氣缸的雙活塞桿收回到原來初始位置，然后再把推板氣缸的活塞桿收回帶動(dòng)氣缸推板沿氣缸推板導(dǎo)向鍵把夾鉗機(jī)械手與雙作用氣缸回收到機(jī)械手主體內(nèi)腔中。

1.2.3 機(jī)械手主體的旋轉(zhuǎn)控制

機(jī)械手[5]主體上設(shè)有角度傳感器，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)通過傳動(dòng)平鍵帶動(dòng)機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)，在這一過程中，角度傳感器能感知機(jī)械手主體轉(zhuǎn)過的角度模擬量信號傳輸給控制柜PLC內(nèi)的輸入映像寄存器，經(jīng)過CPU信號分析處理由輸出端子輸出數(shù)字量信號控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)來調(diào)整機(jī)械手運(yùn)動(dòng)姿態(tài)完成對物品的吸附、夾持搬運(yùn)和加工操作。(注：紅色部分對傳感器信號傳送和控制過程更加細(xì)化)機(jī)械手主體上還設(shè)有等間距的分布在角度傳感器兩側(cè)的限位擋板26、27，同時(shí)，限位裝置與角度傳感器之間的間隔距離，決定了機(jī)械手主體隨伺服電機(jī)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。工業(yè)機(jī)器人末端手腕內(nèi)部及連接盤、主體旋轉(zhuǎn)座內(nèi)裝有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)即帶動(dòng)機(jī)械手腕360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)機(jī)械手主體、機(jī)械手腕連接盤、機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)座一同做360°正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同方位的抓取。機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)的極限位置，如圖5所示。

圖5 機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)極限位置

2 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沙智華等[6]研究氣動(dòng)可伸縮折疊旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的動(dòng)作過程可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)操作過程的聯(lián)動(dòng)也可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)某個(gè)動(dòng)作?，F(xiàn)設(shè)計(jì)夾鉗機(jī)械手操作過程如下：

(1)真空吸附盤由當(dāng)前展開位置開始，吸盤拉桿氣缸活塞桿收回帶動(dòng)吸盤拉桿由豎立位置運(yùn)動(dòng)到水平位置，完成折疊，見圖3。

(2)推板氣缸的活塞桿伸出帶動(dòng)氣缸推板把夾鉗機(jī)械手與雙作用氣缸推出機(jī)械手主體外，如圖6所示。

圖6 夾鉗機(jī)械手伸出位置圖

(3)雙作用氣缸的雙活塞桿伸出帶動(dòng)夾鉗機(jī)械手4向兩側(cè)移動(dòng)打開，達(dá)到大于被夾持工件的最大尺寸后停止雙作用氣缸的雙活塞桿伸出，活塞桿收回夾持工件。見圖7、圖8。

圖7 夾鉗機(jī)械手展開圖 圖8 夾鉗機(jī)械手夾緊工件圖

(4)機(jī)器人手臂移動(dòng)離開工件工作臺，同時(shí)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)由角度傳感器把信號傳遞給控制系統(tǒng)PLC[7]，控制機(jī)械手主體的空中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，機(jī)器人末端手腕內(nèi)部有伺服電機(jī)也同時(shí)旋轉(zhuǎn)一同控制機(jī)械手主體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，見圖9，到達(dá)指定位置后，雙作用氣缸的雙活塞桿伸出帶動(dòng)夾鉗機(jī)械手4向兩側(cè)移動(dòng)打開，松開放下工件。

圖9 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)控制機(jī)械手主體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

回到初始位置繼續(xù)重復(fù)上述操作過程。此時(shí)也可以把雙作用氣缸的雙活塞桿收回到原來初始位置，如圖1所示，然后再把推板氣缸的活塞桿收回收到機(jī)械手主體內(nèi)腔中。再把吸盤拉桿氣缸活塞桿伸出帶動(dòng)吸盤拉桿由折疊水平位置運(yùn)動(dòng)到豎立位置，使真空吸盤展開吸附其他物體，如板材、平面比較大的物體，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。見圖10。

圖10 真空吸盤展開吸附板材

3 操作過程程序設(shè)計(jì)

機(jī)械手操作程序主要由系統(tǒng)初始化、上料程序、放料程序等模塊組成，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械手和折疊機(jī)械手獨(dú)立運(yùn)動(dòng)以及確保各運(yùn)動(dòng)間的協(xié)調(diào)工作。各模塊源程序流程圖，如圖11所示。

圖11 機(jī)械手動(dòng)作控制流程圖

在系統(tǒng)初始化中，主要完成伸縮機(jī)械手和折疊機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)試運(yùn)動(dòng)，即：吸盤展開，啟動(dòng)吸盤，關(guān)閉吸盤，吸盤收回，夾鉗伸出，夾鉗打開，夾鉗收緊，夾鉗關(guān)閉。

上料過程中，首先機(jī)械手移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)到取料位置，然后選擇伸縮機(jī)械手或折疊機(jī)械手完成取料動(dòng)作。

放料過程中，首先機(jī)械手移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)到放料位置，然后選擇伸縮機(jī)械手或折疊機(jī)械手完成放料動(dòng)作。

根據(jù)生產(chǎn)工藝需要可以隨時(shí)調(diào)整控制過程，重新編程。伸縮折疊旋轉(zhuǎn)式可控式機(jī)械手可以根據(jù)不同的加工要求來更換不同結(jié)構(gòu)形式的夾鉗機(jī)械手。例如，焊接工件可以安裝焊槍進(jìn)行焊接操作，調(diào)整不同的空間姿態(tài)焊接復(fù)雜零件。裝配操作時(shí)可以根據(jù)夾持零件的形狀和材料的不同更換不同夾鉗。 也可以實(shí)現(xiàn)夾持工件或夾持打磨工具進(jìn)行打磨復(fù)雜零件表面。

4 總結(jié)

通過氣動(dòng)組合伸縮折疊式機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)用一臺機(jī)器人完成抓取兩種以上的零件，減少工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量；降低成本投入；減少了機(jī)械手生產(chǎn)線的占地面積；降低了因多臺機(jī)械手抓取加工零件變換零件位置造成定位誤差，影響加工或裝配精度，影響產(chǎn)品質(zhì)量，效率低；利用角度傳感器控制伺服電機(jī)和機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)卡鉗機(jī)械手和真空吸附機(jī)械手在大于半球內(nèi)抓取、吸附零件。