以板材加工過程中用于板材搬運(yùn)的機(jī)械手為研究對(duì)象，分析了該機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)。機(jī)械手采用氣動(dòng)真空吸盤作為機(jī)械手的末端執(zhí)行器，有4 個(gè)自由度。詳細(xì)闡述了其末端執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。實(shí)踐證明，該機(jī)械手能完成滿足生產(chǎn)線的要求。

0、引言

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平須大力提高，特別是在高溫、重載、大噪聲等惡劣的工作環(huán)境中，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，易發(fā)生安全事故^[1]。某公司的板材生產(chǎn)線上，板材經(jīng)熔化后壓鑄成形，再進(jìn)行粗切割， 切割后需把板材搬運(yùn)到指定框架中。因工件重、形狀大，所以人工搬運(yùn)效率低，所需員工多，且易發(fā)生碰撞，影響板材的后續(xù)加工。所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手采用真空吸盤作為機(jī)械手的末端執(zhí)行器， 利用真空吸附方式抓取工件，可自動(dòng)搬運(yùn)板材^[2]。

1、機(jī)械手結(jié)構(gòu)

1.1、結(jié)構(gòu)要求

　　該機(jī)械手的作用是將粗切割后的板材(約10kg)從工作臺(tái)上搬運(yùn)到堆放架內(nèi)，要求疊放有序，不能碰撞。結(jié)構(gòu)上要求能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三個(gè)方向的移動(dòng)，且Z 軸能旋轉(zhuǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)線情況，真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為機(jī)械手要達(dá)到以下要求^[3]：

　　(1)分升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、抓放機(jī)構(gòu)三個(gè)機(jī)構(gòu);

　　(2)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：直線升降，采用滾珠絲杠傳動(dòng)，用直線光桿導(dǎo)向，上下升降速度最快50mm/s，升降行程范圍0～1 800mm，最大承載力1 000N;

　　(3)橫移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：X、Y 兩個(gè)方向橫移，采用滾珠絲杠和同步帶傳動(dòng)，移動(dòng)速度最大50mm/s，移動(dòng)行程范圍0～3 500mm，最大承載力1 000N;

　　(4)抓放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用氣動(dòng)方式進(jìn)行工件的抓放，總最大吸附力250N。

1.2、總體結(jié)構(gòu)

　　該工業(yè)機(jī)械手由支架、手臂和手爪組成，4 個(gè)自由度分別為：X、Y、Z 三個(gè)方向的移動(dòng)和Z 軸旋轉(zhuǎn)，圖1 為設(shè)計(jì)的機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖。總體設(shè)計(jì)思想為：X、Y、Z 三個(gè)方向采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過絲杠、同步帶、輪系等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接傳動(dòng)，末端執(zhí)行器為氣動(dòng)吸盤手爪，可通過改變吸盤位置實(shí)現(xiàn)不同形狀工件的抓放。

圖1 機(jī)械手示意圖

1.3、傳動(dòng)過程

　　以把工件從位置1 搬運(yùn)到位置2 為例， 機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始，X 軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)裝在輸出軸上的同步帶一起旋轉(zhuǎn)， 經(jīng)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)與X 軸平行的軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手工作平臺(tái)在X 軸方向移動(dòng)，緊接著Y 軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)在Y 軸方向移動(dòng)， 然后Z 軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)手爪下移從位置1 抓取工件;手爪上升沿X 方向后退，Y 軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)在Y 軸方向移動(dòng)到達(dá)位置2 上方，Z 軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)手爪下移放工件^[4]。

1.4、機(jī)械手參數(shù)

　　表1 為氣動(dòng)吸盤式工業(yè)機(jī)械手的參數(shù)。

表1 機(jī)械手參數(shù)

2、吸附裝置設(shè)計(jì)

2.1、真空吸盤原理

　　如圖2 所示， 首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(如真空發(fā)生器等)接通，然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸，起動(dòng)真空設(shè)備抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，從而將待提升物吸牢，即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí)，平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤內(nèi)，使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓， 真空吸盤就脫離待提升物， 從而完成了提升搬送重物的任務(wù)^[5]。

圖2 吸盤工作原理圖

2.2、真空吸盤直徑計(jì)算

　　被搬運(yùn)物體的重量決定吸盤的大小和數(shù)量， 根據(jù)生產(chǎn)線作業(yè)要求，吸盤工作時(shí)為水平吊狀態(tài)，吸盤直徑參數(shù)的計(jì)算公式如下^[6]：

　　式中D - 吸盤的理論直徑，mm；m - 需吸工件質(zhì)量，kg；t - 安全系數(shù)(水平吊t≥4，垂直吊t≥8)；p - 吸盤內(nèi)的真空度，MPa；n - 吸盤數(shù)量。

　　生產(chǎn)線上需搬運(yùn)工件的重約100N， 吸盤工作時(shí)為水平吊，t 取4，真空度p 取0.06MPa，如單個(gè)吸盤吸附n取1，代入式(1)中計(jì)算，得：

D≥92.16mm

　　因?yàn)閷?shí)際可選擇的直徑尺寸范圍在50mm 以內(nèi)，考慮實(shí)際工件的形狀，在滿足需要的條件下，吸盤尺寸應(yīng)盡可能小，所以增加吸盤數(shù)量n，取n=16，代入式(1)中計(jì)算，得：

D′≥23.04mm

　　結(jié)合吸盤直徑標(biāo)準(zhǔn)取值表，取D=25mm。

2.3、真空吸盤提升力計(jì)算

　　根據(jù)吸盤提升力的計(jì)算公式：

　　式中W - 吸盤提升力，N；T - 安全系數(shù)(在此取T 為1)；S - 吸盤面積，cm2。

　　以規(guī)格為D =10mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm 為例， 根據(jù)公式(2) 分別計(jì)算出它們在-400mmHg、-500mmHg 和-600mmHg 真空度下的提升力，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 吸盤水平提升力(N)

　　實(shí)際使用時(shí)，[W]=WT(3)式中[W]為許用提升力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，安全系數(shù)一般取2.5，現(xiàn)在取D=25mm 的吸盤進(jìn)行許用提升力的檢驗(yàn)計(jì)算，在真空度比較低的情況下(-400mmHg)，將表1中的數(shù)值26.7N 代入式(3)，計(jì)算得[W]=10.68N。機(jī)械手共16 個(gè)吸盤，總許用提升力為170.88N>100N，由此可得，在保證安全的情況下，設(shè)計(jì)計(jì)算所得數(shù)據(jù)能確保提升待搬運(yùn)工件。

3、結(jié)束語

　　通過對(duì)工業(yè)機(jī)械手本體機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 并將該氣動(dòng)吸盤式工業(yè)機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)線上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行后^[7]，證實(shí)機(jī)械手能對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)抓放動(dòng)作，且在抓放過程中不發(fā)生碰撞，實(shí)踐證明使用該機(jī)械手后，企業(yè)現(xiàn)場工作人員數(shù)量降低了50%，在降低了勞動(dòng)力成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 初曉旭,陳文軍.淺談氣動(dòng)密封的設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2012,(2):11-13.

　　 [2] 張海英,陳子珍,翟志永.基于PLC 的物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2010,(9):83-84.

　　 [3] 候博,閻明印,王世杰.芯片搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,(10):35-36.

　　 [4] 張海英.基于PLC 的注塑機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2011,(11):72-73.

　　 [5] 鐘文,閻秋生,潘繼生,等.圓片提升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2011,40(7):60-62.

　　 [6] 張興國,倪遠(yuǎn)征,張磊.禽蛋吸運(yùn)分級(jí)機(jī)械手設(shè)計(jì)及研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(7):1-4.

　　 [7] 王建軍.搬運(yùn)機(jī)械手及PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2010,(10):16-18.