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        磚坯碼垛機(jī)械手爪氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2015-07-27 07:38:39潘志方福建省南平鋁業(yè)有限公司福建南平353000江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院江西贛州34000
        山東工業(yè)技術(shù) 2015年19期
        關(guān)鍵詞:碼垛機(jī)械手

        潘志方,林 飛(.福建省南平鋁業(yè)有限公司,福建 南平 353000;.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西 贛州 34000)

        磚坯碼垛機(jī)械手爪氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        潘志方1,林飛2
        (1.福建省南平鋁業(yè)有限公司,福建南平353000;2.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西贛州341000)

        摘要:對現(xiàn)有的磚坯碼垛工藝進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人碼坯工藝,研發(fā)了相應(yīng)的磚坯碼垛機(jī)械手爪及其氣動(dòng)系統(tǒng),重點(diǎn)闡述了該機(jī)械手爪的工作過程及其氣動(dòng)系統(tǒng)的原理,根據(jù)實(shí)際工況要求,對關(guān)鍵氣動(dòng)元器件進(jìn)行了計(jì)算選型,并對該機(jī)械手爪進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪及其氣動(dòng)系統(tǒng)能有效的滿足工作要求。

        關(guān)鍵詞:碼垛;機(jī)械手;氣動(dòng)系統(tǒng);設(shè)計(jì)計(jì)算

        0 引言

        磚坯碼垛工藝在磚瓦生產(chǎn)過程中十分重要,直接影響著磚塊燒結(jié)過程中的能耗、質(zhì)量、產(chǎn)量以及效率[1,2]。目前,磚坯碼垛工藝主要有人工碼坯、碼坯機(jī)碼坯和機(jī)器人碼坯三類[3,4],人工碼坯勞動(dòng)強(qiáng)度大,碼坯質(zhì)量受工人技術(shù)水平影響,且工作環(huán)境惡劣,在勞動(dòng)力日益短缺的趨勢下,人工碼坯將逐步被淘汰;碼坯機(jī)碼坯克服了上述不足,具有碼坯效率高,一次碼坯量大,部分碼坯機(jī)可一次完成一層磚坯矩陣的碼放,但是,隨著建筑形式的多樣化發(fā)展,市場對磚瓦形式的需求日益增多,除標(biāo)磚外,還有各種空心磚、多孔磚等新型建材,碼坯機(jī)機(jī)構(gòu)龐雜、占地面積大[5],為了適應(yīng)不同的磚坯形式,需大量更換碼坯機(jī)的機(jī)械零部件,而當(dāng)磚坯尺寸相差過大時(shí),碼坯機(jī)則無法適應(yīng),此外,碼坯機(jī)還存在零件繁多,故障概率高、維修量大等缺點(diǎn);機(jī)器人碼坯將碼坯機(jī)與機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,只需調(diào)整或者更換機(jī)械手爪即可適應(yīng)不用的磚型,具有靈活性好、故障率低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn),是未來發(fā)展的趨勢。

        1 磚坯碼垛機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)及工作原理

        機(jī)器人碼坯工藝如圖1,將磚坯碼垛機(jī)械手爪安裝在工業(yè)機(jī)器人末端的連接法蘭上構(gòu)成磚坯碼垛機(jī)器人[6],碼坯機(jī)器人將待碼的磚坯(如圖2)按規(guī)則逐層碼放至窯車上,其工作過程如圖3。

        設(shè)計(jì)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)如圖4,四個(gè)氣缸兩兩相對安裝,每對氣缸之間連接有對中連桿,用于保證兩氣缸的伸縮量一致,其工作過程主要包括抓坯、卸坯、復(fù)位三個(gè)過程。

        抓坯過程:機(jī)械手爪的固定掛板、浮動(dòng)掛板分別插入待碼磚坯的縫隙中,由氣缸驅(qū)動(dòng)兩側(cè)夾板帶動(dòng)磚坯同時(shí)向中間運(yùn)動(dòng),左側(cè)一列磚坯與固定掛板接觸后被加緊,右側(cè)一列磚坯與浮動(dòng)掛板接觸后繼續(xù)被推向左運(yùn)動(dòng)直至浮動(dòng)掛板帶動(dòng)中間一列磚坯向左運(yùn)動(dòng)與固定掛板接觸,至此將三列磚坯夾緊。

        卸坯過程:四個(gè)氣缸同時(shí)泄氣,機(jī)械手爪垂直抬升,由于泄氣后手爪的加緊力較小,磚坯受重力作用自行與機(jī)械手爪分離。復(fù)位過程:四個(gè)氣缸同時(shí)伸出,由限位裝置及復(fù)位彈簧等保證氣缸伸出后兩側(cè)夾板及浮動(dòng)掛板回到原位置。

        2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

        根據(jù)磚坯碼垛機(jī)械手爪的工作要求,考慮工作效率、可靠性、維護(hù)等因素[5],設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路如圖5。氣路控制過程包括抓坯、卸坯、復(fù)位、保護(hù)四部分。

        復(fù)位:接通氣源,電磁閥c1~c4接通,氣缸伸出至機(jī)械極限位置。

        抓坯:電磁閥c1~c4失電,氣缸收縮夾緊磚坯,當(dāng)管路壓力高于壓力繼電器5上臨界值時(shí),機(jī)械手爪等待0.5s后垂直抬升。

        1、氣源,2、截止閥,3、泄氣閥,4、儲(chǔ)氣罐,5、氣動(dòng)三聯(lián)件,6、壓力繼電器,7、氣缸(a1~a4),8、單向節(jié)流閥(b1~b8),9、電磁閥(c1~c5),10、消聲器(d1~d9)

        卸坯:電磁閥c1~c4保持失電狀態(tài)不變,電磁閥c5得電后切換,此時(shí)氣源被切斷,且各氣缸泄氣,機(jī)械手爪夾板松弛,當(dāng)管路壓力低于壓力繼電器5下臨界值時(shí),機(jī)械手爪等待0.5s后垂直抬升。

        保護(hù):突然斷電時(shí),手動(dòng)關(guān)閉截止閥2,在機(jī)械手爪正下方放置托盤,手動(dòng)調(diào)節(jié)泄氣閥3,將氣缸內(nèi)氣體泄去,隨著氣壓不足,磚坯自由下落至托盤,在此過程中,儲(chǔ)氣罐可為氣路持續(xù)提供一段時(shí)間的高壓氣體,而各氣缸失電狀態(tài)為縮回狀態(tài),此時(shí)若機(jī)械手爪上抓有磚坯,則在失電狀態(tài)下可持續(xù)抓取一段時(shí)間直至將磚坯全部被人工卸下。

        3 氣動(dòng)元件選型計(jì)算

        3.1氣缸選型計(jì)算

        待碼的磚坯矩陣縱向間隙為d1=25mm,如圖2,固定掛板和浮動(dòng)掛板厚度均為δ=5mm,標(biāo)磚密度約為ρ=1.7g/cm3,尺寸如圖6,夾持面為A=53mmx115mm面,單次抓取的磚坯數(shù)量n=60塊,濕坯與鋼(表面粗糙度Ra6.3)的最小摩擦因素約為f=0.3(經(jīng)驗(yàn)值),機(jī)械手爪垂直抬升最大加速度為a=6m/s2,工作氣壓為P=0.6Mpa,濕坯許用應(yīng)力約為0.08Mpa(經(jīng)驗(yàn)值)。

        氣缸所需行程:

        S≥(2d1-δ)+2d2=80mm;

        單個(gè)氣缸所需拉力:

        F>[nρV(g+a)]/(4f)=1965N;

        其中d2為機(jī)械手爪插入待碼磚坯矩陣后夾板與外側(cè)磚坯的距離,取d2=20mm,V為標(biāo)磚的體積,g為重力加速度。

        根據(jù)某公司提供的氣缸規(guī)格,選取缸徑為D=80mm,活塞桿外徑為d=25mm,行程為100mm的雙作用單桿氣缸,該氣缸在0.6Mpa時(shí),拉力為Fe=2721.6N,在0.5Mpa時(shí),F(xiàn)e=2268.0N,在0.4Mpa時(shí),F(xiàn)e=1814.4N。

        作用在單塊磚坯上的應(yīng)力σ=Fe/(15A)=0.029Mpa<0.08Mpa,故滿足要求。

        3.2儲(chǔ)氣罐選型計(jì)算

        該儲(chǔ)氣罐主要以消除壓力波動(dòng)為目的,且在外界供氣出現(xiàn)問題時(shí)能是該系統(tǒng)的繼續(xù)工作一段時(shí)間,保證系統(tǒng)安全[7]。耗氣量的計(jì)算:

        單個(gè)氣缸活塞桿縮回時(shí)的耗氣量Q1:

        為氣缸的伸縮速度為200mm/s。

        故氣缸總耗氣量為Q=4Q1=864L/min,已知,上述氣源供給壓力P1=0.8Mpa,氣缸最低工作氣壓為P2=0.5Mpa,故所需氣罐容積VQ有:VQ≥P0Qt/[60(P1-P2)]=4.8t(L),

        其中P0為大氣壓強(qiáng),t為斷電時(shí)氣罐能保證氣動(dòng)系統(tǒng)正常工作的持續(xù)時(shí)間。

        工人聽到斷電報(bào)警到關(guān)閉截止閥2的所需時(shí)間至少為20s,為此,設(shè)計(jì)斷電后保持時(shí)間為60s,故V=288L,故選取儲(chǔ)氣罐容量為300L。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        本實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的磚坯碼垛機(jī)械手爪工作原理的可行性及可靠性。通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥使氣缸在伸縮速度和平穩(wěn)性均達(dá)到實(shí)驗(yàn)最優(yōu),再控制碼垛機(jī)器人工作。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該磚坯碼垛機(jī)械手爪抓取可靠,斷電后未關(guān)閉截止閥2仍能繼續(xù)夾緊52s左右(可能是局部微量漏氣造成),斷電持續(xù)至20s時(shí)關(guān)閉截止閥3后則能繼續(xù)夾緊659s左右,人工卸坯時(shí)間充足,說明該氣動(dòng)系統(tǒng)能滿足要求。圖7a為成功抓取現(xiàn)場,圖7b為該磚坯碼垛機(jī)器人碼好的磚坯。

        5 結(jié)論

        介紹了機(jī)器人碼坯的工藝過程,以標(biāo)磚為例設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磚坯碼垛機(jī)械手爪及其氣動(dòng)系統(tǒng),并介紹了該氣動(dòng)系統(tǒng)的工作過程,同時(shí),對氣動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的氣動(dòng)元器件進(jìn)行了計(jì)算選型,最后,對該磚坯碼垛機(jī)械手爪進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該機(jī)械手爪可以滿足現(xiàn)場工作要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]向守兵,蘇光大,陳健生等.基于機(jī)器視覺的碼坯異常檢測與識別[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011(07):184-190.

        [2]賈相福.談?wù)劥a坯方式的選擇[J].磚瓦,2010(03):16-17.

        [3]時(shí)洪文.自動(dòng)碼坯機(jī)與機(jī)器人的選擇[J].磚瓦世界,2012, (01):33-34.

        [4]王海臣.自動(dòng)碼坯機(jī)在燒結(jié)磚廠的應(yīng)用[J].磚瓦世界,2008, (10):75-76.

        [5]劉星.高精度全自動(dòng)碼坯機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué), 2014.

        [6]楊傳民,田少龍,楊錳等.碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2014(03):60-63.

        [7]SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2004:72-73.

        基金項(xiàng)目:江西理工大學(xué)校級課題,NSFJ2015-G18

        作者簡介:潘志方(1988-),男,江西宜春人,本科,機(jī)械助理工程師,主要研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備維護(hù)。

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