李衛(wèi)民， 華雷

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州225300）

0 引言

取件機(jī)械手能使流水線生產(chǎn)更加高效化、自動(dòng)化，它作為自動(dòng)化生產(chǎn)用具，可以代替人們的體力勞動(dòng)，大大提高了注塑成型機(jī)的生產(chǎn)效率，且其生產(chǎn)環(huán)境安全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定?？v觀近年來國內(nèi)從事塑件取件機(jī)械手生產(chǎn)的企業(yè)，數(shù)量十分稀少，且獨(dú)創(chuàng)性弱，過分依賴仿制。而大量的產(chǎn)品都來自于他國進(jìn)口，但是其設(shè)計(jì)思路都較為西方化，不適合中國人的操作習(xí)慣。因此我們有必要設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出一種高效率、低成本、性能穩(wěn)定的的塑件專用取件機(jī)械手[1-3]。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

當(dāng)一個(gè)新的注塑品完成后，會(huì)被機(jī)器自動(dòng)推送到傳送帶上，機(jī)械手就是不斷地從傳送帶上撿起塑件，并擺放到指定的塑件堆放區(qū)。設(shè)計(jì)的機(jī)械手（如圖1）采用氣壓驅(qū)動(dòng)，擁有5個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，采用氣缸的形式使各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。此次機(jī)械手的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是完成對塑件取件機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 機(jī)械手

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)械手是專門針對注塑機(jī)的，因此機(jī)械手的尺寸、運(yùn)動(dòng)行程要與注塑機(jī)相匹配，并且在工作上也需要滿足注塑機(jī)的工作進(jìn)度。注塑機(jī)的工作節(jié)奏比較快，完成一個(gè)制品的速度很快，那就需要機(jī)械手能夠快速并精確地去抓取塑件，然后需要順序地將塑件放置到對應(yīng)的位置，同時(shí)迅速地返回，整個(gè)時(shí)間要與注塑機(jī)出一個(gè)制品的單位時(shí)間相比配。注塑機(jī)的形狀、尺寸也是設(shè)計(jì)專用機(jī)械手所需要考慮的，一是保證機(jī)械手有足夠的運(yùn)作空間；二是使機(jī)械手的設(shè)計(jì)更具有專用性，更有效率[4-5]。

1）坐標(biāo)型式與自由度選擇。設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)上升下降、前后移動(dòng)、零件松放、手部回轉(zhuǎn)。為了節(jié)省空間，減短運(yùn)動(dòng)行程，增加了一個(gè)手臂來回?cái)[動(dòng)的自由度，根據(jù)這5個(gè)自由度，確定機(jī)械手的坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)。機(jī)械手各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

2）機(jī)械手的主要參數(shù)。注塑機(jī)通常用于單一大批次的生產(chǎn)中，根據(jù)常見注塑機(jī)的功能參數(shù)，設(shè)計(jì)各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)極限參數(shù)：機(jī)械手手部最大抓取質(zhì)量（3 kg）也就是機(jī)械手工作極限值3 kg；機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)角度為90°；機(jī)械手上下直線升降的最大工作行程為800 mm；機(jī)械手機(jī)身以外部分實(shí)現(xiàn)往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)極限角度為180°；機(jī)械手副臂實(shí)現(xiàn)在工作平面上前后移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，最大工作行程為400 mm。

圖2 各自由度簡圖

3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手部結(jié)構(gòu)采用手爪式，如圖3所示，水口夾自帶氣缸，當(dāng)水口夾需要抓取物體時(shí)，氣缸進(jìn)氣口進(jìn)氣，推動(dòng)活塞桿移動(dòng)，圓錐銷向兩邊頂開滾輪，滾輪連接著左右兩鉗板，滾輪滾動(dòng)直接控制著鉗板的開合，從而抓取塑件，放下塑件時(shí)，直接氣缸斷氣，鉗板會(huì)在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，從而達(dá)到放開塑件的目的。本文選取的水口夾型號為1615s型，該水口夾最大可抓取500 g的塑件；水口夾的缸徑為16 mm，行程為15 mm[6]。

圖3 水口夾結(jié)構(gòu)

4 手腕部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

和人體結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)械手的手部與手臂之間連接部分同樣是手腕，這部分的作用就比較大，手腕靈活就能起到畫龍點(diǎn)睛的作用，手腕一般情況下可以用來改變機(jī)械手手部的一個(gè)抓取零件的方向，所以手腕部分也設(shè)計(jì)了一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)形式為回轉(zhuǎn)。水口夾與回轉(zhuǎn)氣缸是作為一個(gè)部件來使用的，機(jī)械手的手部（也就是水口夾）與手腕部分（回轉(zhuǎn)氣缸）之間的配合如圖4所示[7-8]。

圖4 水口夾回轉(zhuǎn)氣缸組合部件

5 副臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 副臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)械手手臂選擇鋁型材作為主要材質(zhì)，并且在結(jié)構(gòu)上，通過將手臂與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的形式，減輕質(zhì)量，降低結(jié)構(gòu)難度。

導(dǎo)軌的選擇：副臂存在的自由度是其上下升降的直線運(yùn)動(dòng)，因此其附合支承可以選擇直線導(dǎo)軌的形式，設(shè)計(jì)采用滾珠直線導(dǎo)軌，實(shí)物如圖5所示。

圖5 滾珠直線導(dǎo)軌

設(shè)計(jì)中采用上銀直線導(dǎo)軌，選擇型號為HG。與之相配合的滑塊總質(zhì)量是0.9 kg。

5.2 副臂氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸

本文所選擇的氣缸為SMC公司所生產(chǎn)的CG型直線氣缸，氣缸的半徑為20 mm。副臂氣缸運(yùn)動(dòng)的行程為800 mm，如圖6所示。

圖6 副臂氣缸

5.3 手腕與副臂連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）副臂氣缸連接形式選用。副臂氣缸在機(jī)械手作用下推動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這種情況下，就需要?dú)飧椎幕钊麠U部分與副臂的導(dǎo)軌之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，也就是說需要相對的固定，選擇桿端螺母的形式最適合，如圖7所示。

2）手腕與副臂連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。手腕是回轉(zhuǎn)氣缸，副臂則是以導(dǎo)軌為主的結(jié)構(gòu)，之間沒有標(biāo)定的連接方式，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)連接部件，將手腕與副臂連接到一起。連接件除了需要連接回轉(zhuǎn)氣缸、導(dǎo)軌，還需要連接副臂氣缸的活塞桿，就是活塞的桿端螺母的連接方式，最終的設(shè)計(jì)方案如圖8所示。

圖7 桿端螺母結(jié)構(gòu)

6 機(jī)械手主臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 主臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇鋁合金作為主臂結(jié)構(gòu)的主要材質(zhì)，比較輕，能夠承受較大負(fù)荷，有著很好的力學(xué)性能，主臂部分的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

與副臂的受力一樣，主臂采用兩個(gè)導(dǎo)桿來支承和導(dǎo)向，這樣受力更加均勻，導(dǎo)向性更好，對稱性也不錯(cuò)。結(jié)合主臂的設(shè)計(jì)尺寸，確定導(dǎo)桿長度在460~470 mm均可，本文選擇一個(gè)中間值，選擇為465 mm，直徑20 mm，如圖10所示。

圖8 連接件

圖9 主臂設(shè)計(jì)總圖

6.2 主副臂連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖10 導(dǎo)桿

圖11 軸向腳座

1）主臂氣缸連接形式選用。結(jié)合主臂氣缸的使用要求，最終確定選擇軸向腳座的形式用來固定主臂氣缸。如圖11所示。

2）副臂與主臂連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主臂與副臂需要設(shè)計(jì)一個(gè)部件，將彼此連接在一起，這個(gè)部分一共需要連接副臂滑塊、主臂氣缸活塞桿、兩個(gè)導(dǎo)桿等等，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)需要先確定各個(gè)部件的連接位置以及連接方式，連接方式都是采用螺栓的連接，最終結(jié)構(gòu)如圖12所示，該部件同樣采用鋁合金的材質(zhì)。

7 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì)

機(jī)械手的最后一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)一個(gè)擺動(dòng)行程為90°的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)身作為承載部件，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一自由度，對應(yīng)的機(jī)身結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成如圖13所示。為了考慮經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用性，機(jī)械手機(jī)身部分采用GY-4590材料，價(jià)格適中，但應(yīng)用卻是十分廣泛。

圖12 連接部件

圖13 機(jī)身三維圖

7.2 機(jī)身與主臂連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的機(jī)身需要支承除其自身以外的機(jī)械手所有部件，手部、手腕、主臂、副臂以及其它附屬結(jié)構(gòu)，因此機(jī)身的受力是整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最大的。

機(jī)身與主臂連接設(shè)計(jì)成軸狀零件，由于該連接零件承受的壓力較大，同時(shí)還要受到較大的轉(zhuǎn)矩和彎矩，該零件的材質(zhì)為45鋼，連接軸的參數(shù)為435 cm×φ45 cm，結(jié)構(gòu)如圖14所示。

軸的兩端分別連接著搖桿機(jī)構(gòu)和主臂機(jī)構(gòu)，兩端均是采用螺栓固定，保證兩兩之間均不可出現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，否

圖14 連接軸

圖15 直線氣缸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

7.3 機(jī)身氣缸選用以及驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

由于結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)身氣缸同樣需要設(shè)計(jì)成直線氣缸，通過一定機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)，此處設(shè)計(jì)的氣缸仍然是采用CG1型雙作用式單活塞桿氣缸，直線氣缸的半徑為20 mm。

1）機(jī)身氣缸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于機(jī)身氣缸需要實(shí)現(xiàn)將氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成來回?cái)[動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不能完全限制氣缸缸體的自由度。由于是將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成擺動(dòng)，所以要求氣缸缸體也可以進(jìn)行一定量的相對回轉(zhuǎn)，否則將會(huì)出現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)中的死點(diǎn)位置，導(dǎo)致裝置失效，并且無法實(shí)現(xiàn)可調(diào)性，設(shè)計(jì)的整個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)如圖15所示。

2）緩沖設(shè)計(jì)。整個(gè)機(jī)械手的5個(gè)自由度均是采用氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸的特性導(dǎo)致其在運(yùn)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性，除了手部的水口夾自帶氣缸手腕的回轉(zhuǎn)氣缸，以及機(jī)身的直線氣缸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)不需要設(shè)計(jì)緩沖裝置，另外的2個(gè)氣缸均需要設(shè)計(jì)緩沖裝置，緩沖裝置的作用是保證系統(tǒng)的可靠性，對元器件起到保護(hù)作用。塑件取件機(jī)械手的尺寸結(jié)構(gòu)不大，相對的慣性也不會(huì)很大，因此采用液壓緩沖器就可以滿足設(shè)計(jì)要求，液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 緩沖器

8 結(jié)論

設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)用于注塑行業(yè)注塑機(jī)流線上，專用抓取塑件。機(jī)械手一共設(shè)計(jì)了5個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)均由氣缸來實(shí)現(xiàn)。除了手腕部分的氣缸為回轉(zhuǎn)氣缸，其它4處的氣缸均為直線氣缸。該機(jī)械手工作效率高、成本低、性能穩(wěn)定。