一種生產(chǎn)線自動(dòng)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹興業(yè)，杜保成，曹炳馳

（平顯智能裝備（深圳）有限責(zé)任公司，廣東深圳 518000）

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，原材料搬運(yùn)、機(jī)床自動(dòng)上下料是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)中這類工序的費(fèi)用成本過(guò)高、消耗時(shí)間過(guò)多問(wèn)題迫切需要解決，再加上此類工序中頻發(fā)的事故，制約了機(jī)械自動(dòng)化的順利發(fā)展。當(dāng)前部分工業(yè)的生產(chǎn)線已采用自動(dòng)上下料機(jī)械裝置，自動(dòng)上下料裝置不但減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也減少了車間管理人員的大量投入，從傳統(tǒng)的一人管理一臺(tái)機(jī)床轉(zhuǎn)變?yōu)橐蝗斯芾碚麄€(gè)車間的狀態(tài)，為企業(yè)降低了成本投入，提高了工作效率。

1 自動(dòng)上下料機(jī)機(jī)械手發(fā)展的意義

目前，工業(yè)機(jī)械正朝著科學(xué)化、重構(gòu)化、模塊化方向發(fā)展，自動(dòng)上下料機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然產(chǎn)物。在復(fù)雜的流水作業(yè)和惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)械手呈現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)明顯，它具有人類手工操作沒(méi)有的超精準(zhǔn)定位；能夠借用現(xiàn)代自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析和綜合治理；采用電腦控制器有效提高整體工作效率和操作水平；集成性高，可以增強(qiáng)工序的安全性能；整合數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化管理。另外系統(tǒng)中的傳感器也起到了至關(guān)重要的作用，不斷優(yōu)化相關(guān)設(shè)備的速度參數(shù)，達(dá)到機(jī)械焊接和裝配的集中管控，優(yōu)化工業(yè)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)化管理。

2 自動(dòng)上下料機(jī)機(jī)械手的應(yīng)用

自動(dòng)上下料機(jī)械手在廣泛的應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)突出，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)制造有深遠(yuǎn)的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中的突出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是：作業(yè)速度比傳統(tǒng)人工快；不間斷工作，提高了效率；承載物料能力強(qiáng)，運(yùn)輸傳送移位精準(zhǔn)。這些優(yōu)點(diǎn)還直接降低了生產(chǎn)的故障發(fā)生率。近年來(lái)已經(jīng)得到了大量的推廣，多個(gè)行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線都已引入了機(jī)械手。例如，汽車制造（圖1）中的應(yīng)用、工業(yè)控制（圖2）的應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人（圖3）的應(yīng)用。隨著工業(yè)制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)械手在應(yīng)用中不斷地積累經(jīng)驗(yàn)、改進(jìn)技術(shù)，使工業(yè)生產(chǎn)制造效率更高，為企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 汽車制造

圖2 工業(yè)控制

圖3 工業(yè)機(jī)器人

3 自動(dòng)上下料機(jī)機(jī)械手流程設(shè)計(jì)

這種融合自動(dòng)上、下料的機(jī)械手生產(chǎn)線，結(jié)合了機(jī)械制造、傳輸傳感、自動(dòng)化控制、人機(jī)配合等先進(jìn)技術(shù)，完全符合生產(chǎn)線的需要，節(jié)約資源，達(dá)到設(shè)備最大化利用，減少了復(fù)雜環(huán)境下不必要的人員浪費(fèi)，保證了人員的安全，而且機(jī)械自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的不間斷工作，保證了系統(tǒng)高效運(yùn)行，提高產(chǎn)量保證質(zhì)量，是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的必然階段。

3.1 機(jī)械手上料流程

（1）自動(dòng)裝置機(jī)械手的上料機(jī)工作流程，首先是通過(guò)主軸孔向上頂料，第一根料被頂進(jìn)主軸孔后，緊接著第二根料頂?shù)谝桓希源祟愅?，后料頂前料。自?dòng)上料時(shí)V 型槽、主軸孔之間要符合標(biāo)準(zhǔn)配置，沒(méi)有誤差，這種自動(dòng)上料方式?jīng)]有間斷，24 h 工作，很好地提高了工作效率。

（2）加置上料盤，主要功能是儲(chǔ)存一定數(shù)量的加工件，保證上料過(guò)程不被中斷。為了提高效率，當(dāng)主軸孔頂進(jìn)新的料后，機(jī)械手就直接把加料盤的新料頂入到V 型槽。

（3）在自動(dòng)化上料時(shí)，機(jī)械手主要功能就是把毛坯料放入V 型槽，只要有一根進(jìn)入到V 型槽加料盤之后，下一根毛坯料由于重力的作用就會(huì)自動(dòng)加料給加料盤，如此循環(huán)往復(fù)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)一次，加料進(jìn)行一次。

（4）當(dāng)生產(chǎn)線上完成V 型槽入料后，頂料小車開始工作，主要作用是接收毛坯料并勻速向主軸孔頂入。當(dāng)小車到達(dá)前限位時(shí)就會(huì)迅速后退到后限位，此時(shí)小車的運(yùn)送頂入工作已完成，機(jī)械手就會(huì)開始下一個(gè)重復(fù)的放進(jìn)工序，繼續(xù)給V 型槽頂料。

3.2 機(jī)械手下料流程

3.2.1 自動(dòng)化下料機(jī)工作流程

機(jī)械手自動(dòng)下料的工作流程簡(jiǎn)單易操作，符合長(zhǎng)線生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)原則。文中自動(dòng)化下料就以自動(dòng)精密玻璃切裂生產(chǎn)線為例，介紹流水生產(chǎn)線上的機(jī)械手下料流程。第一步，自動(dòng)放入玻璃，接著進(jìn)入到切割工序，切割機(jī)切割玻璃，翻板機(jī)翻板玻璃；第二步，被切制好的玻璃又被運(yùn)送到裂斷機(jī)壓斷，第二次切割翻板；第三步，也是最后一步，開始拾取玻璃，通過(guò)吸塑盤運(yùn)輸，最后去清洗。整個(gè)下料流程中，切割機(jī)和裂斷機(jī)都安裝有保障視覺(jué)對(duì)位功能，保障玻璃切割準(zhǔn)確；同時(shí)，它還配有粉塵處理裝置，生產(chǎn)線流程上還貼有防護(hù)罩，警示，避免操作人員誤傷事故。

3.2.2 自動(dòng)化下料機(jī)工作原理

這里仍然以上述玻璃生產(chǎn)線為例，它的作用是把處理后的玻璃顆粒運(yùn)送至吸塑盤，接著把成粒玻璃運(yùn)送給下一步清洗。在整個(gè)工序中，切割后的玻璃被移送給下料機(jī)，成粒玻璃被抓置到吸塑盤，吸塑盤再運(yùn)送到下一個(gè)作業(yè)流程，整個(gè)作業(yè)過(guò)程穩(wěn)定不間斷，作業(yè)細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。工作過(guò)程中要注意以下6點(diǎn)。

（1）機(jī)械手放置玻璃到吸塑盤位置精準(zhǔn)。

（2）機(jī)械手識(shí)別玻璃是否有粘連、是否有破損，被識(shí)別出的破損玻璃會(huì)自動(dòng)放入廢料箱。

（3）機(jī)械手抓取尺寸是可以調(diào)節(jié)改變的。

（4）控制程序可以設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警指示燈。

（5）設(shè)備有手動(dòng)、自動(dòng)兩種功能，相互配合。

（6）系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，配套傳送裝置穩(wěn)定可靠。

3.2.3 自動(dòng)化下料機(jī)結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，該結(jié)構(gòu)的功能主要有4個(gè)模塊，分別是升降傳送模塊、玻璃盛放臺(tái)模塊、吸塑盤移載模塊和下料機(jī)械手模塊，4個(gè)模塊互相配合完成一整套下料作業(yè)。此例中應(yīng)用的自動(dòng)搬運(yùn)玻璃功能，是常見的工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械手操作模式，該技術(shù)已被廣泛使用。

3.3 機(jī)械手設(shè)計(jì)流程

工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械中，上下料機(jī)械手有較多種類，在實(shí)踐中需要嚴(yán)格篩選類型，以符合實(shí)際需要。當(dāng)前，最為常用的機(jī)械手有3類：測(cè)量式手抓，搬用式手抓和加工式手抓。這3類機(jī)械手工作方式差異較大，工作場(chǎng)景大不相同，要根據(jù)實(shí)際需要選擇配套的類型。機(jī)械手在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求不斷改進(jìn)，同時(shí)一定要遵循機(jī)械生產(chǎn)的原則。

為了避免自動(dòng)機(jī)械手與萬(wàn)能手抓的沖突，機(jī)械手秉承工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，把機(jī)械手的前期工作作為重心，重點(diǎn)突出，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮它的最大價(jià)值。機(jī)械手整體架構(gòu)不僅需要有常用的夾持功能，還要設(shè)計(jì)其他的專有用途，滿足機(jī)械手工作性質(zhì)的需求。同時(shí)，還需要配備一個(gè)配套的機(jī)械按口，主要用來(lái)配合尾端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的工作流程。

搬運(yùn)式手抓是夾持裝置，它有抓取、搬運(yùn)兩項(xiàng)功能；加工式手抓是基于機(jī)械手的功能，也可稱為另外的一種機(jī)械設(shè)備，配有焊槍和鐵刀等工具，主要是用來(lái)進(jìn)行加工作業(yè)。在實(shí)際自動(dòng)化上下料操作時(shí)，結(jié)合配套的機(jī)床作業(yè)，使機(jī)械手發(fā)揮出最大作用。

4 自動(dòng)上下料機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中介紹的自動(dòng)化生產(chǎn)線上下料機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)是：手臂上升和下降的范圍區(qū)間是500 mm，旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)區(qū)間是180°，伸縮方向的區(qū)間是500 mm，包含上升下降、打開合閉、伸開縮回、旋轉(zhuǎn)等4種運(yùn)動(dòng)。

4.1 整體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手整理結(jié)構(gòu)主要有機(jī)體、手臂、腕部、手部等4個(gè)部位。

4.1.1 機(jī)械手機(jī)體結(jié)構(gòu)

圓形結(jié)構(gòu)的機(jī)體完全符合機(jī)械強(qiáng)度和保持手平衡要求，是整個(gè)聯(lián)接支撐板，可以承載機(jī)械手所有動(dòng)作的受力，通過(guò)有限元分析的手段不斷地優(yōu)化機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到其受力強(qiáng)度要求。目前，穩(wěn)定的機(jī)身機(jī)構(gòu)采用的是圓形，配備可移動(dòng)式底座，利用鉸制孔螺紋和半凸緣式空心座套連接，再安裝圓形套蓋，套板上配置支撐板。這樣的設(shè)計(jì)使機(jī)械手成為獨(dú)立的操作系統(tǒng)，方便安裝移動(dòng)，也可與其他工業(yè)設(shè)備結(jié)合，作為便攜式機(jī)械手配套使用。

4.1.2 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械手的手臂采用不同的工藝設(shè)計(jì)來(lái)滿足四種運(yùn)動(dòng)需求。上升下降運(yùn)動(dòng)是利用絲杠和螺母間嚙合，使兩者之間相互作用實(shí)現(xiàn)手臂上下移動(dòng)。為設(shè)備合理設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)，增設(shè)雙導(dǎo)向平衡裝置，保證工作過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行，避免偏置力矩引起的不連續(xù)運(yùn)動(dòng)或者卡死情況。

4.1.3 機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)

機(jī)械手的腕部為凸緣式設(shè)計(jì)，保證手臂的回旋動(dòng)作順利進(jìn)行。伸縮運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)是采用液壓驅(qū)動(dòng)與內(nèi)外壁互相配合，滿足伸縮要求，遵循最小化結(jié)構(gòu)尺寸原則。機(jī)械手的腕部凸緣式設(shè)計(jì)，外伸是為了保證液壓驅(qū)動(dòng)滿足180°區(qū)間回旋。

4.1.4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)

機(jī)械手手部的打開和關(guān)閉是利用手指來(lái)完成的。手部結(jié)構(gòu)是利用鉸鏈?zhǔn)戒N軸連接手腕和手指，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。手臂的伸縮帶動(dòng)回轉(zhuǎn)銷軸達(dá)到手指開合功能。一般工業(yè)上的手指采用的是V 型塊結(jié)構(gòu)，也有部分企業(yè)使用圓弧外抱式、直行防滑墊式結(jié)構(gòu)。實(shí)際機(jī)械制造中，會(huì)針對(duì)工業(yè)件的大小、形狀，靈活切換模式，減少工業(yè)成本投入，提高機(jī)械手的通用性。

4.2 機(jī)械手絲桿尺寸結(jié)構(gòu)

機(jī)械手是通過(guò)絲桿實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)的，設(shè)計(jì)絲桿時(shí)應(yīng)該根據(jù)剛度確定尺寸和主要參數(shù)，對(duì)機(jī)械手的穩(wěn)定性和自鎖校驗(yàn)。實(shí)際操作過(guò)程中，可以依據(jù)機(jī)械的承載和成本投入，確定絲桿的設(shè)計(jì)。

4.3 機(jī)械手手部建模

機(jī)械手的手部建模是三維實(shí)體模型，在底層根據(jù)零件要求插入裝配體形成建模模型。

4.3.1 機(jī)械手手爪的建模

在機(jī)械手的裝配模塊中，在裝配界面先選擇上手抓零件，再插入零部件按鈕，通過(guò)界面菜單調(diào)出V型塊，機(jī)械手平面基準(zhǔn)的配合可以選擇兩個(gè)同心圓，最后組合形成手指和手掌的裝配三維圖模型。

4.3.2 機(jī)械手手部與腕部裝配

在裝配模塊界面中，將腕部、手部以及零件驅(qū)動(dòng)在同一界面裝配。接著通過(guò)配合管理器來(lái)選取腑部裝配體和手部驅(qū)動(dòng)油缸，腕部驅(qū)動(dòng)油缸和腕部裝配體，再設(shè)定兩個(gè)需要配合的基準(zhǔn)裝配軸曲面，實(shí)現(xiàn)手部與腕部的裝配。

4.3.3 機(jī)械手手部實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真

最后點(diǎn)擊進(jìn)入動(dòng)畫界面管理，選擇動(dòng)畫向?qū)?，使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)軸，調(diào)整手的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)次數(shù)。在左側(cè)的關(guān)系樹中利用時(shí)間軸選擇配合的尺寸，模擬出機(jī)械手部動(dòng)作路線。這樣形式的設(shè)計(jì)，手部運(yùn)動(dòng)顯示直觀，修改方便，可及時(shí)修正減少不必要的損失，也降低了制造成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)，功能復(fù)雜的加工工藝。隨著當(dāng)代科技的加速創(chuàng)新，機(jī)械生產(chǎn)線的自動(dòng)化流程也跟著發(fā)生了翻天覆地的變化。對(duì)一種生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)自動(dòng)化上料下料工藝，不斷改進(jìn)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)，提高效率，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的高質(zhì)量目標(biāo)。當(dāng)然，工業(yè)生產(chǎn)管理人員還要不斷提高專業(yè)技術(shù)人員的個(gè)人能力，結(jié)合生產(chǎn)線的實(shí)際情況，全線管理，制定合理的機(jī)械運(yùn)行管理機(jī)制，借用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，發(fā)揮自動(dòng)化上料下料機(jī)械手的最大優(yōu)勢(shì)，使機(jī)械工件運(yùn)行時(shí)間、生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。另外，機(jī)械手三維實(shí)體建?？梢阅７抡麢C(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬裝配，仿真檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)情況；在滿足機(jī)械設(shè)備運(yùn)行功能的前提下，對(duì)主要工作部件進(jìn)行強(qiáng)度校核等，這些都是對(duì)自動(dòng)化上下料機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化的措施。