郝用興，馬得朝，馬子領(lǐng)

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

機(jī)械手是一種自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)裝置，它具有抓取、翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)甚至直接簡(jiǎn)單加工工件的功能，同時(shí)也是許多智能機(jī)器人應(yīng)用的重要組成機(jī)構(gòu)。伴隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得以快速進(jìn)步。許多造型美觀、性能優(yōu)異的機(jī)械手產(chǎn)品在高溫、高壓、高濕、低氧、高強(qiáng)度等惡劣抑或高重復(fù)率的工作環(huán)境中代替人工勞動(dòng)方面做出了突出的貢獻(xiàn)。

機(jī)械手的廣泛使用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械手的定位精度也在隨著自由度的增加而不斷提升，但自由度的不斷增加隨之而來(lái)的就是設(shè)計(jì)、加工、控制成本的大大增加?，F(xiàn)在工廠里所使用的專用機(jī)械手自由度一般都是2~3個(gè)，3個(gè)以上自由度的機(jī)械手主要用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)生產(chǎn)線排序裝置，通過(guò)其與簡(jiǎn)單機(jī)械手的配合使用來(lái)達(dá)到多自由度機(jī)械手的功能，從而降低工廠的投入成本。

1 機(jī)構(gòu)方案

本文基于手機(jī)生產(chǎn)流水線機(jī)械手抓取傳送帶上手機(jī)困難的情況，在機(jī)械手進(jìn)行抓取之前先行對(duì)手機(jī)進(jìn)行定位，以方便機(jī)械手的抓取。

1.1 工作條件和系統(tǒng)需求

工作條件：在手機(jī)生產(chǎn)流水線上手機(jī)隨著傳送帶向前運(yùn)動(dòng)，手機(jī)在傳送帶上的位置為手機(jī)生產(chǎn)人員隨機(jī)放置，如圖1（a）所示。運(yùn)送的手機(jī)產(chǎn)品外形：長(zhǎng)度a=110mm，寬度b=60mm，厚度c=10mm，質(zhì)量m=120g，外殼為PC材料，彈性模量E=2300 MPa。傳送帶的運(yùn)行速度V=6m/min，寬度為B=500mm。手機(jī)與手機(jī)之間的摩擦系數(shù)為0.05，手機(jī)和傳送帶之間的摩擦系數(shù)為0.3。

系統(tǒng)需求：在此工作條件下設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)生產(chǎn)線排序裝置對(duì)傳送帶上位置不規(guī)則的手機(jī)進(jìn)行排序定位（如圖1所示），以此來(lái)降低機(jī)械手的抓取難度。

圖1 手機(jī)定位前后對(duì)比

1.2 設(shè)計(jì)方案

為使大量不規(guī)則的物體有一個(gè)固定的方位，目前常見(jiàn)的處理方案有兩種。

圖2 固定V型口裝置

圖3 防擠壓V型口裝置

方案（1）：固定V型口裝置對(duì)手機(jī)的排序。如圖2所示，在傳送帶上放置一個(gè)固定的V型口和導(dǎo)向槽。

方案（2）:防擠壓V型口裝置對(duì)手機(jī)的排序。如圖3所示，該裝置設(shè)計(jì)了對(duì)轉(zhuǎn)防擠裝置，對(duì)轉(zhuǎn)防擠裝置由對(duì)稱間隔放置的一對(duì)轉(zhuǎn)輪組成，朝向來(lái)料一側(cè)的該對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件的弧面與傳送帶圍成防擠壓V型進(jìn)口，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向相反。

通過(guò)ABAQUS軟件模擬仿真發(fā)現(xiàn)，手機(jī)在通過(guò)固定V型口時(shí)只有單一、少流量及特定狀態(tài)的手機(jī)才可以通過(guò)，大流量位置特殊的手機(jī)會(huì)出現(xiàn)堵塞V型口導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)的現(xiàn)象，因此該方案不可行。防擠壓V型口裝置雖然可以避免V型口堵塞，但是需要通過(guò)不斷調(diào)整轉(zhuǎn)輪的速度差才能使特殊狀態(tài)的手機(jī)順利通過(guò)。例如圖4（a），當(dāng)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速差距較大，且在3.5倍以上時(shí)才能使手機(jī)迅速通過(guò)；如圖4（b）當(dāng)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速差距較小時(shí)，方可使手機(jī)順利通過(guò)；對(duì)于如圖1（a）的情形，則需要通過(guò)觀察手機(jī)在V型口聚集的情況，不斷的調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的速度比，方可以使手機(jī)順利通過(guò)。由此可見(jiàn)根據(jù)不同的情形，需要不斷的調(diào)節(jié)輪子的轉(zhuǎn)速，這大大增加了監(jiān)測(cè)、控制難度。

通過(guò)對(duì)圖1（a）以及圖4三個(gè)狀態(tài)的分析可以發(fā)現(xiàn):手機(jī)縱向放置的通過(guò)性要大大好于橫向放置的狀態(tài)。由此設(shè)想，在傳送帶中心線上固定一個(gè)導(dǎo)向柱，用以分開(kāi)通過(guò)的手機(jī)流，使手機(jī)盡可能的靠近輪子邊緣，通過(guò)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)手機(jī)旋轉(zhuǎn)避免有橫向放置的手機(jī)通過(guò)V型口。如圖5所示：由一對(duì)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)向柱和輸送機(jī)的輸送帶構(gòu)成多適應(yīng)性V型口的入口。在兩個(gè)轉(zhuǎn)輪有固定的轉(zhuǎn)速比時(shí)，該方案可以解決圖4、圖1（a）及其他特殊位置的工況，使得操作更簡(jiǎn)單化，切實(shí)可行。

圖4 防擠壓V型口裝置對(duì)特殊位置手機(jī)的處理

圖5 多適應(yīng)性V型口裝置

2 設(shè)計(jì)方案模擬驗(yàn)證

ABAQUS被業(yè)界稱為有限元軟件中的“貴族”，處理復(fù)雜非線性問(wèn)題能力強(qiáng)，擅長(zhǎng)解決接觸、大變形、非線性材料等高端問(wèn)題。

為了驗(yàn)證本文所提出方案的有效性，利用ABAQUS進(jìn)行建模仿真如圖6所示，其中模型參數(shù)如表1所示，模型運(yùn)行速度如表2所示，各部件間摩擦系數(shù)如表3所示。通過(guò)圖6（a）和圖6（b）可以看出此方案切實(shí)可行，對(duì)多種工況具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖6 多適應(yīng)性V型口裝置ABAQUS模擬仿真

表1 模型參數(shù)表

表2 模型運(yùn)行速度

表3 摩擦系數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在方法方案及設(shè)計(jì)方案模擬驗(yàn)證中得到了如圖5所示的設(shè)計(jì)方案，但它距離產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還相差甚遠(yuǎn)。如圖7所示，為了方便機(jī)械手的抓取在導(dǎo)向槽的末端再加一個(gè)擋板。將根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析。

圖7 加擋板的多適應(yīng)性V型口裝置

（1）轉(zhuǎn)輪尺寸設(shè)定。由于手機(jī)是在傳送帶上隨機(jī)放置的，為了防止手機(jī)和轉(zhuǎn)輪發(fā)生碰撞后掉落，則：轉(zhuǎn)輪直徑D≥A-B；由于此處為單層手機(jī)，為保證手機(jī)和轉(zhuǎn)輪充分接觸，則轉(zhuǎn)輪高度h輪≥c。

（2）導(dǎo)向槽尺寸設(shè)定。為方便機(jī)械手的抓取，假設(shè)導(dǎo)向槽內(nèi)有3部待抓取手機(jī)，則導(dǎo)向槽的長(zhǎng)度為：L=3*a，考慮到擋板和導(dǎo)向槽的距離，V型口內(nèi)也可以存放手機(jī)，此處設(shè)定L=2*a，寬度d=B，高度h槽=h輪。

（3）導(dǎo)向柱、擋板尺寸設(shè)定。導(dǎo)向柱和擋板尺寸對(duì)該機(jī)構(gòu)的影響很小，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與各部件協(xié)調(diào)等方面考慮，設(shè)定導(dǎo)向柱的直徑d=20mm，高度h柱=h輪。擋板長(zhǎng)度e=B，寬度f(wàn)=b，高度h板=h輪。

圖8 手機(jī)生產(chǎn)線排序裝置圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)流水線傳送帶上位置不規(guī)則的手機(jī)如何規(guī)則化排隊(duì)問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用本文設(shè)計(jì)的手機(jī)生產(chǎn)線排序裝置可以使原本雜亂無(wú)章的手機(jī)擁有統(tǒng)一的方向和固定的位置。該研究可以大大降低后續(xù)機(jī)械手操作的難度和工廠的投入成本。

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