汽車鈑金零部件下料機(jī)械手爪的模塊化設(shè)計方法研究

庾 鵬

(馬鞍山理工學(xué)校，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著中國沖壓技術(shù)發(fā)展，沖壓系統(tǒng)在機(jī)械加工制造中比重不斷發(fā)展。伴隨著沖壓市場的發(fā)展，沖壓工人生產(chǎn)工藝還在隨時變化。隨著生產(chǎn)工藝的智能化加強(qiáng)，傳統(tǒng)的人工進(jìn)給方法已經(jīng)在速率和精密度方面出現(xiàn)了明顯的落后，全自動進(jìn)給構(gòu)造慢慢替代了傳統(tǒng)人工進(jìn)給?，F(xiàn)階段，完成生產(chǎn)經(jīng)營活動不再期待很多人力資本，傳統(tǒng)的依靠勞動力增加生產(chǎn)的時代已經(jīng)過去，已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變成為了技術(shù)生產(chǎn)。在未來的沖壓工藝的發(fā)展中，將會由先進(jìn)的自動化技術(shù)沖壓占據(jù)主要地位。

沖壓生產(chǎn)線雖然僅僅占不到全工藝制造的%10，但是這條工藝線仍然是企業(yè)制造的核心生產(chǎn)線之一，90%之上時間也用以裝卸搬運原料、搬運工、等候供貨。因而，企業(yè)的設(shè)計師一般依據(jù)原料生產(chǎn)線的原料供貨步驟開展設(shè)備自動化改造，并實現(xiàn)高效率的原料供貨生產(chǎn)線效率和生產(chǎn)效率。在服務(wù)機(jī)器人和環(huán)境互動最后的一環(huán)，積極鑒別工作環(huán)境數(shù)據(jù)的是感應(yīng)器，是最后實行，其方案設(shè)計立即取決于工業(yè)機(jī)械手工作特點。文中依據(jù)車輛鈑金零件生產(chǎn)線的實際需要，對于日常光纖激光切割的具體每日任務(wù)，在分析夾裝總體目標(biāo)的前提下，研發(fā)了工業(yè)機(jī)械手持終端機(jī)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線上不一樣工件光纖激光切割，并且通過實驗驗證了其可靠性。

1 自動化沖壓生產(chǎn)線的對比

1.1 傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線

在傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線中，工件轉(zhuǎn)動工藝的實現(xiàn)主要是依靠于機(jī)械臂組裝，對機(jī)械臂實現(xiàn)動力控制的是沖壓機(jī)，通過幾臺單功效機(jī)械壓力機(jī)來完成生產(chǎn)加工工位的控制。這類裝卸搬運方式是設(shè)備和人工結(jié)合的，是半自動化生產(chǎn)流水線。目前我國絕大多數(shù)沖壓公司也是通過這類方式完成制造的，這是一種比較傳統(tǒng)機(jī)器生產(chǎn)方式。

1.2 柔性自動化送料

在多工位的運送工藝和機(jī)器人的系統(tǒng)中間，設(shè)置有柔性的自動化送料裝置，該送料裝置簡單、方便、高效率。此外，該系統(tǒng)不可以用以同一批號、同一生產(chǎn)加工方式的生產(chǎn)線里的多種產(chǎn)品、少許新產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

1.3 多自由度送料機(jī)器人

穿梭式作為目前工藝上比較常用的生產(chǎn)線，中國的工藝生產(chǎn)也多數(shù)是采用該種自動輸送系統(tǒng)軟件。這類方式可靠性技術(shù)高，但選購機(jī)器人成本也很高，價格比較貴稍等，所以只好用以大中型沖壓領(lǐng)域。

1.4 快速送料機(jī)械手

在目前的生產(chǎn)線中，多數(shù)的沖壓公司都開始逐漸在實際生產(chǎn)中應(yīng)用快速送料機(jī)械手，該送料方式不僅有比較廣闊的使用范圍，而且其實際的工作效率也相對較高，合乎我國具體創(chuàng)新需要。可是，這種機(jī)器人多從海外買到的，價格比較貴，維護(hù)保養(yǎng)不便。

設(shè)備能夠快速拆卸，但滾輪上固定支架，會影響到在使用過程中的設(shè)備安全可靠性。為了保證機(jī)械裝置力學(xué)結(jié)構(gòu)平衡，可以選擇在目標(biāo)物件上尋找合適的重心點，以便于進(jìn)行工件抓取。

2 抓取方案研究

2.1 抓取工件分析

通過圖1可以看到，在當(dāng)下的車輛鈑金零件生產(chǎn)過程中，主要有三種不同的工件。目標(biāo)工件的不同，所需要的抓取機(jī)械爪的樣式也會有所不同，當(dāng)下的設(shè)計目標(biāo)主要是根據(jù)自動給料的需求，進(jìn)行全面的設(shè)計，不僅要能夠確保在工作過程中的給料平穩(wěn)，還要保證能夠準(zhǔn)確地抓取三種工件。

剖析三種工件的表面傾斜度，得到工件1有兩種比較大的類似平面，可作為夾持平面。2工件有平整度好、可作為夾持平面的兩大區(qū)域，3工件表面繁雜，折射率差異大，但一些一部分表面平整度好，可作為夾持平面。表1為工件規(guī)格。

表1 工件規(guī)格

2.2 抓取方案

根據(jù)對三種工件的對比分析，不難發(fā)現(xiàn)工件的形態(tài)有很大的不同。怎樣用設(shè)備手指甲把握住這三種工件，是手指甲設(shè)計里最大的難題。分析表明，三種工件有許多相同點。是薄板構(gòu)造的鈑金零件。有可作為工件品質(zhì)更較輕夾持平面圖所使用的平面圖。依據(jù)那些特點，確定應(yīng)用磁性吸咐夾持3種工件。除此之外，機(jī)械手還擔(dān)任了多種功能，一是在走刀的工藝流程中，需要對工件實行抓取，二是在到達(dá)料盒部位時，停止對工件的抓取并釋放，因此，目前的工藝流程中，通常都是選擇電磁感應(yīng)卡盤來作為機(jī)械手執(zhí)行。此外，因為電磁感應(yīng)卡盤與工件的接觸是面接觸，因而工件的品質(zhì)較輕。為了能讓機(jī)械手的框架剪力墻更為簡約，有益于工件的分割實際操作，文中在夾持方式上選用二點夾持方法。但是由于智能機(jī)器人聲卡機(jī)架上2個抓取點間的距離有固定的，因此主要的難點便是如何精確找出抓取點。

首先是需要對目標(biāo)抓取工件進(jìn)行一個抓取中心點的確定，這樣有助于在抓取過程中實現(xiàn)力學(xué)平衡，從而能夠精確地實現(xiàn)抓取工作，保證生產(chǎn)的安全性。

3 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對抓住物件的解讀，本文是選用模塊化觀念制定了機(jī)械手爪的構(gòu)造(按照圖2)。制定的機(jī)械手爪一般包含四個模塊，分別是抓取的位置調(diào)整、抓取過后的反饋、抓手抓取和真空模塊。

3.1 抓取單元模塊

目前的工藝中所采用的都是金屬制造的工裝夾具，因此電磁感應(yīng)液壓卡盤和工裝夾具和工件一起產(chǎn)生作用。通常在實際生產(chǎn)中，會在吸附設(shè)備上增強(qiáng)了真空吸附設(shè)備，從而能夠保證工件的夾緊，提升了夾緊模塊控制模塊對工件的吸附力，能夠擺脫工裝夾具。夾緊模塊控制模塊由電磁吸盤、真空吸盤和接近開關(guān)組成。如下圖3所顯示。

為了方便真空吸盤和電磁吸盤的相互融合，電磁吸盤設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，其中真空吸嘴的孔徑D為15mm，同軸線安裝于電磁閥的空心一部分，真空吸嘴的最高面比電磁閥的下表面低2mm。真空吸嘴在軸往上具備彈簧結(jié)構(gòu)，與工件觸碰時更密切觸碰工件表面，保證真空吸附墊的吸附品質(zhì)。真空吸附力F在真空壓力為80kPa時，測算如下所示。

因而，根據(jù)上面的公式計算，理論上每一個單元模塊能夠為系統(tǒng)貢獻(xiàn)84N，而在實際工藝流程中使用了兩個單元模塊，故總貢獻(xiàn)為168N，但工件最大的凈重為11N上下，安全性能比較高。接近開關(guān)坐落于電磁鐵吸盤外圓上，開關(guān)的作用主要是當(dāng)目標(biāo)的工件觸發(fā)到開關(guān)時，會向外傳遞出一個反饋，從而造成上拉電阻；當(dāng)夾持單元模塊離去工件時，會帶來低電頻。

3.2 手爪框架模塊

作為機(jī)械手的主體工程，手執(zhí)架構(gòu)模塊帶來了2組手執(zhí)模塊的機(jī)械安裝端口和電連接端口，來作為機(jī)械抓手的前端安裝位置，并根據(jù)后續(xù)的設(shè)計計劃方案，確定出抓取單元模塊的插口距離。

3.3 姿態(tài)微調(diào)模塊

因為各產(chǎn)品工件挑選的兩個夾持平面圖存有細(xì)微的角度差，為了能讓夾持模塊模塊更好地線性擬合夾持平面圖v，必須在夾持模塊模塊中加入姿勢調(diào)整模塊。姿勢調(diào)整模塊選用徑向關(guān)節(jié)軸承，其兩側(cè)裝到滾子軸承內(nèi)，根據(jù)滾子軸承固定不動手中的架構(gòu)模塊上，夾持模塊模塊根據(jù)精準(zhǔn)定位螺帽固定于徑向軸承的內(nèi)孔上。剖析結(jié)果顯示，選定的三組夾持平面圖較大交角為10，徑向關(guān)節(jié)軸承拐角可以達(dá)到12之上，足夠達(dá)到目前夾持規(guī)定。為了保證夾持的穩(wěn)定，提升徑向關(guān)節(jié)軸承旋轉(zhuǎn)阻尼，可以選擇將阻尼潤滑油脂涂抹在滾動軸承上。阻尼脂具備出色的潤濕性、可靠性、機(jī)械穩(wěn)定性、出色的緩沖、緩沖、防潮、減震特性。

3.4 抓取反饋模塊

在實際的模塊設(shè)計中，一般是選用傳感器和信號處理器來共同組成反饋模塊，其工作原理是當(dāng)工件被加緊時，當(dāng)裝置車床卡盤貼近工件做到一定距離時，傳感器會向外發(fā)送高電平信號，從而使得信號處理模塊能夠得到觸發(fā)信號，進(jìn)一步的觸發(fā)繼電器和電磁閥的工作。并給予一定的夾持力，以此來實現(xiàn)工件的夾持。此外，根據(jù)把握住反饋模塊，可以隨時監(jiān)控工件原材料的投入整個過程，精確的抓取反饋后面情況及工件有沒有被正常的夾持運動；工件是不是爆出；工件放置是否成功。

3.5 真空模塊

該模塊是由繼電器、真空發(fā)生器和空氣過濾網(wǎng)所組成，可以借助工廠內(nèi)空氣動力裝置，為真空吸吊機(jī)的正常運轉(zhuǎn)給予工作環(huán)境。

4 機(jī)械方案的設(shè)計

機(jī)械臂的機(jī)械系統(tǒng)主要包含：最先，主體工程由鋁板和鋁合金型材做成；次之，在鋁板上組裝30個真空卡盤，在不同真空卡盤上設(shè)定控制電路，吸咐產(chǎn)品工件尺寸，完成工作上真空卡盤的數(shù)量調(diào)整；第三，x軸傳動系統(tǒng)為皮帶傳動，主要是由左右二級構(gòu)成，由直線滑軌正確引導(dǎo)，伺服電機(jī)驅(qū)動。y軸推動為絲杠驅(qū)動，螺帽固定不動，絲杠逐漸挪動，設(shè)計方案行程安排500mm，壓力機(jī)下料期為4s，下料時間緊迫。在規(guī)劃環(huán)節(jié)中，必須符合機(jī)械臂在4s內(nèi)從壓力機(jī)外界進(jìn)到吸咐部位，將產(chǎn)品工件傳至壓力機(jī)的需求。

5 末端執(zhí)行模塊的設(shè)計

一般工業(yè)機(jī)械手的尾端執(zhí)行器依據(jù)夾緊基本原理可以分為夾緊法和吸附式。文中制定了一種適用于板才全自動上料的機(jī)械手。因為板材樣子為平面圖直板橫打，十分不益于夾緊式機(jī)器人尾端機(jī)械手。吸附式機(jī)械手的特征能夠滿足大中型平面圖一個物體必須，金屬片的平面圖直板橫打樣子能夠滿足這類需求。因而，本文在研究過程中，主要是選用吸附式機(jī)械手來作為機(jī)械手的末端執(zhí)行器。目前在實際應(yīng)用中，吸附式末端執(zhí)行器主要是有兩種不同的吸附原理，一種是利用氣體吸附法，二是利用磁石進(jìn)行吸附。

第一種氣體吸附型末端執(zhí)行器。工業(yè)上通常用該種吸附式末端執(zhí)行器作為一種夾緊物件的機(jī)械裝置，該裝置一般是由進(jìn)排放系統(tǒng)、吸盤支架和強(qiáng)力吸盤來組成。其工作的原理主要是利用氣壓差來實現(xiàn)工件的吸附。進(jìn)氣口方便使用，重量較輕，無空氣污染，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。因為氣側(cè)吸末端執(zhí)行器適合于非金屬材質(zhì)，對被吸工件預(yù)訂運輸?shù)奈恢闷顩]有要求，但要求被吸原材料整平光潔，被吸工件無漏汽、孔眼。

第二種磁性吸附式末端執(zhí)行器。在實際工業(yè)作業(yè)中，磁吸末端執(zhí)行器所吸物質(zhì)的量不損傷，磁吸模塊總面積具備很大誘惑力。但是和呼吸式對比，磁吸式尾端執(zhí)行器對吸附工件的外表粗糙度、埋孔和槽無特別要求，好于呼吸式尾端執(zhí)行器?？墒?，有一些磁性機(jī)械手在吸引的工件被電磁閥吸附后也會產(chǎn)生磁損，吸附頭里的磁性碎渣會影響到機(jī)械手正常的姿勢等。此外，溫度是723之上時，鐵、磁等成分并沒有磁性，高溫環(huán)境不能得到磁吸吸引力。根據(jù)氣體吸附和磁性強(qiáng)力吸盤優(yōu)缺點與實際工作性質(zhì)，磁性吸附下手是本課題研究中機(jī)械手的控制技術(shù)手段。尾端執(zhí)行器的構(gòu)造。

6 手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計

6.1 抓取單元模塊

因為工裝夾具由金屬材料做成，硬盤和工件在功效中與工裝夾具相互影響。為了保證夾持的穩(wěn)定性，在電磁感應(yīng)吸咐上增加海綿吸盤設(shè)備，會獲得夾持模塊對工件的吸附力，使與卡具分離出來。夾持模塊控制模塊主要包含接近傳感器、真空吸盤和電磁鐵吸盤。為了能合理融合真空吸盤和電磁鐵吸盤，電磁鐵吸盤選用中空總體設(shè)計，直徑32mm，公稱直徑16mm，吸附力80N。真空吸嘴的孔徑為15mm，安裝于電磁閥的空心一部分，與軸一樣，真空吸嘴的最高面比電磁閥的下表面低2mm。真空吸盤徑向有彈簧結(jié)構(gòu)，在和工件觸碰的過程當(dāng)中，會和其發(fā)生緊密的表面接觸，從而使吸附的效果能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)真空壓力為80kPa時，真空泵吸附力為14N，因而將一個夾持模塊控制模塊吸附力設(shè)成94N，主要是由2個夾持模塊所組成的手臂構(gòu)造的總吸附力為188N，工件最大的凈重為11N，具有很高的安全性率。接近傳感器坐落于電磁感應(yīng)液壓卡盤的外圍，接近傳感器的重要的作用是認(rèn)知工件的出現(xiàn)從而形成意見反饋。

6.2 手爪框架模塊

手架模塊為機(jī)械臂的主體工程，具備2組夾持模塊機(jī)，各自作為電氣接口及安裝插口。除此之外，機(jī)械臂前面具備機(jī)械安裝構(gòu)造，完成了抓取點對方案的挑選。夾持模塊的插口跨距設(shè)為180mm。

6.3 姿態(tài)微調(diào)模塊

因為不一樣工件上2個夾持平面圖間的角度差比較小，為了把夾持模塊與夾持平面圖融合，還需要增加工件的位置調(diào)整模塊，即通過加入徑向的關(guān)節(jié)軸承來實現(xiàn)工件的姿態(tài)調(diào)整，安裝于滾子軸承內(nèi)，根據(jù)滾子軸承固定于手托模塊內(nèi)。夾持模塊根據(jù)精準(zhǔn)定位螺帽固定于徑向軸承內(nèi)圓上，根據(jù)45號鋼里外圈的相對性轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)視角。分析表明，所選用的三組夾持平面圖較大交角為10，徑向關(guān)節(jié)軸承拐角超過12，能夠滿足夾持規(guī)定。為了保證握柄的穩(wěn)定，徑向關(guān)節(jié)軸承在轉(zhuǎn)動的時候會遭受阻尼，滾動軸承上有涂阻尼潤滑油脂。

6.4 抓取反饋模塊

在實際的模塊設(shè)計中，一般是選用傳感器和信號處理器來共同組成反饋模塊，在實際的工作過程中，當(dāng)設(shè)備的車床卡盤貼近目標(biāo)件時，傳感器會向外發(fā)出高電平信號，讓信號處理器得到工作信號，進(jìn)而把握住工件。

7 總結(jié)

文中定制的機(jī)械爪已用于某公司防撬門鈑金生產(chǎn)物流線上，可以根據(jù)客戶規(guī)定完成迅速安裝，也可以實現(xiàn)不一樣規(guī)格型號鈑金加工廠機(jī)器人開發(fā)配置。除此之外，文中定制的機(jī)械臂穩(wěn)定性高，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車鈑金零件生產(chǎn)過程中三種工件的激光切割工作中。以上模塊化方案設(shè)計和零件墜落工裝夾具在汽車鈑金里的運用，能夠為對應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)提供支持。