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。

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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)。