羅鴻彬 羅男生 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 黃市生 曾志彬 吳國洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

1 前言

機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機(jī)械手可以代替人工進(jìn)行繁重或者重復(fù)的勞動，不僅可以提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和機(jī)械化，還可以有效保護(hù)工作人員的人身安全。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手一般都是以旋轉(zhuǎn)氣缸或電機(jī)為驅(qū)動件[2]，然而使用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手不具有任意調(diào)角度的功能，不適合應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)角小于90°的多種場合[3]；使用電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手固然能任意調(diào)角度，但電機(jī)的使用增加了成本，并且需要控制器控制，使用起來較復(fù)雜[4]。

針對以上問題，本文探討加工角度在智能制造行業(yè)的重要性及應(yīng)用示范，大致為通過一個直線推桿氣缸帶動傳動件在指定導(dǎo)軌上運動，從而帶動氣爪最大產(chǎn)生90°的旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)螺釘控制直線推桿氣缸的行程進(jìn)而實現(xiàn)在0-90°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)氣爪所需要的旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)到達(dá)目標(biāo)位置夾放物體，滿足0-90°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)任意角度抓取物體。下文將具體從機(jī)構(gòu)設(shè)計方面與軟件系統(tǒng)搭建方面進(jìn)行闡述。

2 硬件平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有連接組件、驅(qū)動件、傳動件和執(zhí)行件，其中連接組件包括有底板、支撐板、缸塊連接件、限位螺釘、螺釘固定件、連桿、帶軸承的軸座、方塊、氣爪連接板；驅(qū)動件包括有氣缸、氣爪；傳動件包括有導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊、U型槽板、限位塊、導(dǎo)向螺釘、帶法蘭的轉(zhuǎn)軸；執(zhí)行件為手指。

底板的兩側(cè)設(shè)置了支撐板，兩者通過螺釘連接固定，支撐板共有兩塊，右側(cè)的支撐板設(shè)置了氣缸和帶軸承的軸座，左側(cè)的支撐板只設(shè)置了帶軸承的軸座。氣缸的正表面設(shè)置了導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊，氣缸的桿體通過缸塊連接件與導(dǎo)軌滑塊連接，氣缸的側(cè)面設(shè)置了螺釘固定件，進(jìn)一步的，限位螺釘與螺釘固定件螺紋連接。限位塊設(shè)置在導(dǎo)軌滑塊的側(cè)面，U型槽板設(shè)置在導(dǎo)軌滑塊的正表面。導(dǎo)向螺釘設(shè)置在U型槽板的U型槽里，導(dǎo)向螺釘與連桿螺紋連接，連桿與帶法蘭的轉(zhuǎn)軸連接，通過連桿側(cè)面的緊定螺釘鎖緊。帶法蘭的轉(zhuǎn)軸通過帶軸承的軸座固定在支撐板的正表面，帶法蘭的轉(zhuǎn)軸、帶軸承的軸座呈左右對稱設(shè)置，方塊設(shè)置在兩個帶法蘭的轉(zhuǎn)軸的中間，方塊與轉(zhuǎn)軸的法蘭通過螺釘連接。氣爪設(shè)置在方塊的上方，兩者通過氣爪連接板進(jìn)行連接，手指設(shè)置在氣爪的末端。此外，通過如下設(shè)計來實現(xiàn)限位螺釘在氣缸上的豎直上下移動：限位螺釘通過螺釘固定件與氣缸固定連接，限位螺釘與螺釘固定件通過螺紋結(jié)構(gòu)固定連接。通過螺紋對限位螺釘?shù)奈恢酶叨冗M(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)控限位螺釘和限位塊之間的高度差，控制氣缸的行程，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)的角度。工作情況具體為，當(dāng)氣缸的桿體上移（下移）時，帶動導(dǎo)軌滑塊上移（下移）進(jìn)而帶動U型槽板也上移（下移），U型槽板的上移（下移）帶動導(dǎo)向螺釘向槽內(nèi)（槽外）移動，帶動連桿擺動，從而機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，其中，當(dāng)氣缸的桿體處于收縮情況，氣爪處于豎直方向，當(dāng)氣缸的桿體伸長時，氣爪順時針擺動，當(dāng)氣缸的桿體縮短時，氣爪逆時針擺動；導(dǎo)軌滑塊上移同時帶動限位塊上移，限位塊的上移將會碰到限位螺釘，通過調(diào)節(jié)限位螺釘在螺釘固定件下方的長度來調(diào)節(jié)氣缸的行程，進(jìn)而調(diào)節(jié)導(dǎo)向螺釘向U型槽內(nèi)移動的距離，連桿擺動的幅度，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度。

通過氣缸和導(dǎo)向螺釘?shù)呐浜献饔脕韺崿F(xiàn)機(jī)械手在0～90°范圍內(nèi)的任意角度旋轉(zhuǎn)。首先，氣缸驅(qū)動導(dǎo)軌滑塊在導(dǎo)軌上豎直方向往復(fù)運行，從而帶動U型槽板豎直運動，實現(xiàn)導(dǎo)向螺釘在U型槽內(nèi)旋進(jìn)或旋出，進(jìn)而通過連接桿帶動方塊及方塊上的手指旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機(jī)械手的正向或反向水平旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的角度可通過氣缸的行程進(jìn)行控制，一般情況下0～90°下均可實現(xiàn)。另一方面，通過限位螺釘和限位塊的設(shè)計，可對氣缸行程進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)控連桿擺動的幅度和機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的角度；由于限位螺釘?shù)母叨瓤烧{(diào)節(jié)，即可在任意合適范圍內(nèi)控制氣缸的行程，實現(xiàn)任意特定角度的旋轉(zhuǎn)。同時機(jī)械手通過氣爪驅(qū)動手指松開或抓緊，實現(xiàn)物體的抓取。

本文所設(shè)計是硬件平臺，總結(jié)來說就是由連接組件、驅(qū)動件、傳動件和執(zhí)行件組成。其能實現(xiàn)角度可調(diào)主要是通過螺紋對限位螺釘?shù)奈恢酶叨冗M(jìn)行調(diào)節(jié)以及通過氣缸和導(dǎo)向螺釘?shù)呐浜献饔?，從而調(diào)控限位螺釘和限位塊之間的高度差，控制氣缸的行程，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)的角度，來實現(xiàn)機(jī)械手在0～90°范圍內(nèi)的任意角度旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

基于上述一種基于可調(diào)角度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的設(shè)計，本文所做的工作總結(jié)如下，根據(jù)功能的要求對機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要利用氣缸帶動U形導(dǎo)軌的作用，使得機(jī)械手可實現(xiàn)大范圍的角度旋轉(zhuǎn)，既可實現(xiàn)大角度范圍的旋轉(zhuǎn)，也可實現(xiàn)0～90°小角度范圍的旋轉(zhuǎn)，且可任意調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度，結(jié)構(gòu)簡單，解決了目前沒有可以調(diào)角度機(jī)械手的空白，實現(xiàn)了機(jī)械手在0-90°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)所需要的旋轉(zhuǎn)角度，滿足該旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)任意角度的抓取物體。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖