自動卸模機械手手爪的研究與設計

董 偉

（1.純電動轎車及關鍵零部件河南省工程實驗室，河南 三門峽 472000； 2.三門峽職業(yè)技術學院，河南 三門峽 472000）

1 前言

在一些工業(yè)生產(chǎn)領域，工人由于工作原因，往往會受到易燃易爆、致命氣體等因素的存在，增加員工的勞動強度，甚至危及生命。因此，保障生產(chǎn)安全，降低生產(chǎn)價格，提高產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益是企業(yè)最應該面對的問題。自動化卸模機械手主要解放了工人在易燃易爆等惡劣環(huán)境下繁重而頻繁的操作，雖然它不像手那樣用途靈活，但它的特點是可以不斷重復工作和勞動，不知道疲勞，不畏懼危險，而且抓舉重物的力氣也比手的力氣大，特別是在高空、粉塵、易燃、易爆、高溫的惡劣環(huán)境中操作中代替人作業(yè)，因此，它的應用越來越廣泛，在遠程觀察下，自動卸模機械手會從加裝區(qū)將模具從螺旋壓力機構上安全卸下，并運送到螺旋水泥平臺上，實現(xiàn)無先導卸模操作。卸模機械手的出現(xiàn)為卸模工作的完成提供了可靠的專業(yè)保障，為更全面實現(xiàn)模具更換的無人操作提供了參考[1]。

2 機械手的功能分析

2.1 模具的結構特點

模具有6套，形狀相似，尺寸差異大不，長約1250mm，全身鋼鐵結構，重約500kg，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖

2.2 機械手的組成

根據(jù)模具機構的特點和車間的布置，采用龍門架結構的直角坐標機械手，滿足模具裝卸空間運輸?shù)囊蟆?機械手主要由執(zhí)行器，驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和位置檢測裝置組成[2]。 執(zhí)行器包括手，腕，臂，柱等部分。驅動裝置主要包括防爆電機和氣缸，通過接近開關來防止機械部件間的碰撞，通過氣缸拉動齒條來完成手爪的張開閉合，由防爆電機驅動來完成機械手的各個方向運動，通過配合可完成模具的裝卸。機械手的控制系統(tǒng)通常由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機械停止定位）系統(tǒng)組成，如有必要，它可以監(jiān)視機械手的動作并在出現(xiàn)錯誤或故障時發(fā)出警報信號。

2.3 卸模工作流程

在制定設計方案之前，要整理出卸模機械手的管理方法，首先卸模機械手從任何位置開始返回起始位置的方法，整個過程中，機械手爪打開到最大角度，機械手臂提升到最高位置，龍門框架也返回到左側原點。在手動模式下，操作者在視頻觀察的幫助下，啟動命令按鈕進行操作。卸模機械手的提臂和側臂配備有接近開關，可精確到達計劃的停止位置。對于其他運動機構，需要達到的位置建議點動微調。

3 機械手手爪的設計

手爪是機械手執(zhí)行機構的主要部件，其通過齒條的上下移動實現(xiàn)手爪的張開閉合，根據(jù)模具外形和質量大小，機械手的手爪采用兩個機械夾鉗式手爪將模具前后抓住來搬運工件。手爪的各種運動通常使用驅動機構和傳動機構實現(xiàn)，機械手爪采用氣缸作為其動力元件。從受力情況分析，當它在工作中，是直接承受安裝框架，手部及工件的靜態(tài)和動態(tài)負載，并有額外的自己運動。因此，手爪的結構、工作行程和靈活性等直接影響機構的工作性能[3]。

3.1 機械手手爪的設計分析

（1）手爪應具有較大的承載能力、良好的剛度和輕巧的自重；

（2）截面形式和輪廓尺寸應根據(jù)受力情況進行選擇；

（3）提高支承剛度，合理選擇支承目的距離；

（4）手部運動要靈活，慣性要小。

3.2 機械手手爪的設計計算

（1）手爪的類型。 工業(yè)機械手常用的手爪按夾持工件的原理將其分為兩類：夾持式和吸附式。吸附式通常習慣于抓取工件表面平整、空間巨大的板狀物體，而夾持式則會帶動負荷較重的模具，且夾持程度較高[4]。根據(jù)模具的形狀和尺寸，本設計選用了夾持機械手的手爪。以便使機械手能夠游刃有余地操縱工件，因此本設計選擇了兩個夾緊手爪，夾緊力由兩個氣缸提供。手爪通過手爪固定座安裝到機械手調整架上。

（2）齒條的設計計算。

1）按照所設計的傳動方案，選用齒輪齒條傳動；

2）防爆機械手為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）；

3）材料選擇。由《機械設計》表10-1選擇小齒輪為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒條材料45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS；

4）閉式齒輪傳動一般轉速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，小齒輪的齒數(shù)Z1=20-40，所以選擇小齒輪的齒數(shù)Z1=28。

這樣設計的齒輪傳動裝置在做到結構緊湊，避免浪費的基礎上，又滿足了各齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度。

（3）安裝座的設計。

側板的作用主要是用來固定機械手爪和氣缸，用來確定手爪和齒條的位置，是機械手的重要組成部分，如圖2為機械手側板的設計結構圖。

圖2 機械手側板結構圖

（4）氣動控制設計。

防爆卸模機械手手爪由氣動元件控制，氣缸的伸開和關閉由三位五通電磁閥控制，而閥芯在中間位置內，可長時間鎖定氣缸，在斷氣瞬間防止手爪伸開[5]。節(jié)流閥將改變空氣流量，形成機械手的緩慢夾持速度及穩(wěn)定。PLC控制氣動系統(tǒng)，PLC邏輯輸出管理方向閥的繼電器開/關，實現(xiàn)方向閥體的動作，并完成氣路的開/關，以控制氣動回路。

3.3 機械手手爪的張開角度計算校核

根據(jù)前面的設計，初步設計的機械手手爪結構如圖3所示。

3.3.1 對初步設計進行張開角度計算校核

在設計初期先假設使用型號為CDGPB15-150-D-B-97的氣缸，那么氣缸活塞桿伸長量為150mm，那機械手抓旋轉角度為，則理論最大垂直距離為19.53mm，那么最終可實現(xiàn)向上提升距離為169.53mm＜240mm（模具夾持位置直徑），那么張開角太小，無法進行零件夾取。

圖3 機械手結構圖

圖4 機械手抓張開角度圖

3.3.2 對優(yōu)化后的機械手手爪進行張開角度計算校核

通過分析，需對三部分進行調整：首先更改氣缸型號，選用CDGPB15-200-D-B-97的氣缸，則氣缸活塞桿伸長量為200 mm，其次將機械手手抓下部分減小50mm，第三安裝旋轉銷位置提高100mm。機械手抓旋轉角度為，則理論最大垂直距離為118.26mm，那么最終可實現(xiàn)向上提 升距離為118.26+100+50=268.26＞240mm，那么張開角滿足要求，可進行零件的夾取。

圖5 機械抓重新設計后張開角度后

4 結論

防爆機械手是惡劣環(huán)境中裝配的重要工具，本文針對模具的特點，設計了機械手組成，對機械手爪進行了設計分析，設計了手爪的類型，并對機械手爪的張開角度初步進行了計算校核，通過優(yōu)化設計方案使張開角滿足模具的要求，可進行零件的夾取。