何鴻強(qiáng)，徐 慧

HE Hong-qiang,XU Hui

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

長期以來，于化纖、造紙、印刷、塑料、紡織等行業(yè)中，廣泛存在對桶料的搬運工序，在自動化生產(chǎn)越來越發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)的人工搬運生產(chǎn)模式無論從生產(chǎn)效率還是人力成本，都已無法適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展的要求。更多廠商現(xiàn)已投入機(jī)械自動化生產(chǎn)線，完成對料筒的搬運。

目前，用于撐持筒料的定位軸一般采用氣脹式和機(jī)械式脹軸兩種，而氣脹式因其在使用過程中操作方便、省力、可靠、重量輕的特點，被大多數(shù)用戶所接受。但現(xiàn)有的氣脹軸采用楔形機(jī)械結(jié)構(gòu)，缸身體積龐大，安裝所需位置要求嚴(yán)苛，爪體緊縮半徑較小，無法滿足對種類繁多的料筒的抓取，因此急需研制一種能夠靈活應(yīng)用于生產(chǎn)流程，滿足各種搬運要求的多功能手爪，下面介紹基于凸輪擺桿結(jié)構(gòu)的新型氣脹手爪的研制過程。

1 研究內(nèi)容分析

1）操作對象

在本實際項目中，機(jī)械手爪需要搬運的對象為紗錠，重量為5.5公斤，高290mm，直徑230mm,紙筒內(nèi)徑 67mm（具體尺寸如圖1所示）。由于產(chǎn)品的特殊性，嚴(yán)禁損壞紗錠外表面，要求抓取形式必須是內(nèi)脹式，且不能破壞紗筒內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。這就要求手爪有更小的體積以及更牢固的抓取方式。由于紙筒上端有翻邊，直徑僅為57mm，考慮到定位的難度，實際要求手指收攏與張開的直徑差至少需要26mm。

2）工作方式

在實際成產(chǎn)流程中，工藝要求必須滿足一次性抓取多個紗團(tuán)，并且各工位紗團(tuán)放置位置都不盡相同，在搬運過程中需改變紗團(tuán)間位置關(guān)系，這就要求研制的氣脹手爪必須有小巧的體積，靈活方便的安裝方式，適應(yīng)性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特點，并能夠準(zhǔn)確定位放置紗團(tuán)。

2 機(jī)械性能指標(biāo)及系統(tǒng)研究

2.1 新型內(nèi)脹式手爪的研制思路

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)要求，傳統(tǒng)氣爪采用的楔形結(jié)構(gòu)，由于三角形三邊關(guān)系結(jié)構(gòu)束縛，同等行程的氣動元件，所能達(dá)到的半徑變化量較小，無法滿足產(chǎn)品要求，對于本產(chǎn)品紗團(tuán)的抓取必須采取結(jié)構(gòu)簡單緊湊，緊縮半徑較大，動作靈活、能夠穩(wěn)定撐持工件的內(nèi)脹式手爪抓取。

我們借鑒凸輪結(jié)構(gòu)及杠桿原理，巧妙的把普通氣缸的直線運動變化成徑向位置的變化，使其具有較好的傳力特性，同時結(jié)構(gòu)緊湊。

為了實現(xiàn)以上目的，本方案利用直線氣缸推動主心軸桿上下運動，臺階面推動脹爪擺塊圓周擺動，多個脹爪擺塊的末端撐開以頂?shù)焦ぜ?nèi)筒內(nèi)表面而起到脹緊作用，從而起到脹緊工件的要求。通過主心軸臺階面的后止口頂住脹爪擺桿的上面起到定位的作用。

2.2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)介紹

下面結(jié)合圖2、圖3對本研究氣爪進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖2 凸輪式氣脹手爪結(jié)構(gòu)圖

所述凸輪式氣脹手爪包括：

主心軸桿頂部螺桿：用于主心軸與直線氣缸的連接，實現(xiàn)動力的傳輸；

主框架：用于脹爪的固定安裝，以及爪體與直線氣缸的連接；

主芯軸：其上端有螺紋，與氣缸連接，芯軸上有多個臺階，每組臺階間固定多個脹爪擺塊，脹爪擺塊呈上下位置排列，臺階面與凸輪擺塊的凸輪面相接觸，心軸底部伸入主框架底端的滑動軸承孔中；

直線氣缸，其與支架連接，為動力源；

安裝支架，用于氣脹手爪與整體夾具的連接；

圓盤安裝止口：用于準(zhǔn)確定位，防止爪體在工作中產(chǎn)生竄動；

框架豎棱：用于安裝脹爪擺塊，是手爪的主體框架；

圖3 凸輪式手爪外形圖

凸輪面：主心軸上下運動時推動的脹爪擺塊端面，是主要的受力部位；

脹爪連接軸：用于連接脹爪擺塊于框架豎棱，是重要的連接件；

凸輪桿脹爪擺塊：其用連接軸固定于框架豎棱間，是脹取工件的主要受力零件。

銅套：起到滑動潤滑，減低磨損的作用；

框架頂端錐面：用于定位抓取時增大偏差允許量。

上述的凸輪式氣脹手爪，其中，所述的直線氣缸底部與主框架頂部利用四個螺釘連接。主框架由6條豎棱組成，每2條一組，上面各帶有2排通孔，銷軸分別穿過第一條棱、脹爪擺塊和第二條棱，起到固定脹爪擺塊的作用，銷軸頂端利用圓錐銷固定。脹爪擺塊的突輪面與主心軸的臺階面相接觸，通過直線氣缸的運動，最終實現(xiàn)脹爪擺塊的運動。

2.3 設(shè)計注意事項

1）對于擺塊的凸輪面基圓半徑選得越小，壓力角越大，設(shè)計所得的凸輪尺寸雖小，但對受力情況不利，嚴(yán)重的還會發(fā)生自鎖現(xiàn)象，因此在空間允許的條件下應(yīng)選取較大的基圓半徑以改善凸輪的受力情況。

2）擺塊凸輪面容易磨損，主要原因之一是接觸應(yīng)力較大。促使凸輪磨損的因素還有載荷特性、幾何參數(shù)、材料、表面粗糙度、腐蝕、滑動、潤滑和加工情況等。其中潤滑情況和材料選擇對磨損壽命影響尤大。為了減小磨損、提高使用壽命，除限制接觸應(yīng)力外還要采取表面化學(xué)熱處理等措施，以提高材料的表面硬度。

圖4為加工成品圖，圖5為現(xiàn)場使用圖。

圖4 凸輪式氣脹手爪成品圖

2.4 手爪動作監(jiān)控措施

氣脹手爪工作過程中，采用磁性開關(guān)信號監(jiān)控。在抓取之前，檢測氣缸收回位置磁性開關(guān)是否有信號，以保證脹爪全部收回，能夠順利進(jìn)行抓取。在脹爪達(dá)到抓取位置后，直線氣缸運動，當(dāng)檢測到氣缸到位位置磁性開關(guān)信號后，說明氣爪已撐持住料筒，允許搬運動作。在此過程中，信號的檢測，保證爪體不損傷料筒，并順利完成抓取動作。

圖5 1×6機(jī)械手氣脹手爪

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

本研究研制的內(nèi)脹式手爪，結(jié)構(gòu)是將氣缸的直線行程轉(zhuǎn)變?yōu)槭种笖[塊的徑向圓周變化，通過對氣爪擺塊形狀的設(shè)計，可以滿足各種工況下對脹爪的不同要求，同時大幅度降低了驅(qū)動裝置的成本，給生產(chǎn)提供了經(jīng)濟(jì)、可靠的技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

本研究成果已申請實用新型專利1項，并獲批準(zhǔn)。

氣脹手爪在現(xiàn)有工程里均會使用上百套。如果采購國外的同類產(chǎn)品，每套約11500元。而我們研制的產(chǎn)品批量成本僅約為4000元，從經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了大量成本。 且，此類機(jī)器人手爪的研制成功，不但可以在化纖行業(yè)廣泛應(yīng)用，還可以應(yīng)用在玻纖、乳業(yè)食品等行業(yè)，為我單位開拓了更廣泛的業(yè)務(wù)范圍，進(jìn)一步提高了競爭能力。