（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

空氣濾清器是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的一個重要部件，它的用途是清除空氣中的微粒雜質(zhì)，給發(fā)動機(jī)提供純凈的空氣[1]，使發(fā)動機(jī)具有更長的使用壽命，并具有一定的進(jìn)氣消聲作用[2～4]。它由上端蓋、下端蓋、中心管和濾層組成，濾層是濾芯中過濾油的主要部件，它由紙質(zhì)材料折疊成均勻的風(fēng)琴褶，然后合縫成環(huán)狀，所以它有風(fēng)琴褶散開的擴(kuò)大狀態(tài)和風(fēng)琴褶被壓緊的縮小狀態(tài)。在濾芯的自動裝配線中，前道工序已經(jīng)對濾層進(jìn)行了擴(kuò)松，使其紙牙之間張開而不粘連，并且將中心管套裝在濾層中，然后通過一個濾層中心管上料機(jī)械手將濾層和中心管組合抓取并移載至下一安裝工位，因此，在濾層中心管上料機(jī)械手中需要一個能抓取散開的濾層和中心管組合的抓手，并且要求軸向均勻縮緊，使濾層維持風(fēng)琴褶的形狀，并且能適應(yīng)不同直徑大小產(chǎn)品的抓取，使生產(chǎn)線在更換產(chǎn)品規(guī)格時無需更換抓手，滿足結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低的要求[5]。

1 濾層中心管的狀態(tài)

如圖1所示，圖1(a)為前道工序?qū)V層放松后的狀態(tài)，圖1(b)上料機(jī)械手抓手夾緊后的狀態(tài)。濾芯產(chǎn)品直徑有71.5mmm和58.5mm兩種規(guī)格，而在放松狀態(tài)下濾層最大直徑可以達(dá)到110mm。

1.1 傳統(tǒng)夾緊方式存在的問題

圖1 濾層中心管放松與夾緊狀態(tài)

對于剛性圓柱體類物體的夾緊，通常可以采用V型塊對中夾緊方式，但現(xiàn)在夾緊面呈柔性且圓周呈風(fēng)琴褶狀態(tài)，因此設(shè)想夾緊面采用圓弧槽的形狀。為了對中夾緊，可以有鉸鏈開口式[6]或者對中開閉式的夾緊方式，但是當(dāng)它們?nèi)A緊柔性的濾層時，會出現(xiàn)如圖2(a)和圖2(b)的兩種情況，即在夾緊過程中，濾層受力不均勻，導(dǎo)致部分濾層紙牙被擠出夾具外面的現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)的夾緊方式無法使用，需要設(shè)計一種新型的對柔性濾層夾緊的抓手，使其能對散開的濾層周向同步均勻向內(nèi)夾緊。

圖2 傳統(tǒng)的夾緊方式對濾芯破壞情況

2 濾層中心管組合的抓手設(shè)計

2.1 濾層中心管組合的抓手設(shè)計思路

根據(jù)濾層風(fēng)琴褶散開特點，本研究設(shè)計了一種柔性的鋼絲索包絡(luò)式抓手，即采用多條鋼絲索在濾層的一周形成包絡(luò)線，鋼絲索兩端分別與兩塊可以相對轉(zhuǎn)動的聯(lián)接板連接，兩塊板的相對轉(zhuǎn)動帶動鋼絲索周向運動使鋼絲索之間組成的空間縮小，完成對濾層中心管的夾緊抓取功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼絲索包絡(luò)式抓手

擺動盤和抓夾環(huán)分別位于上、下兩層，擺動盤可在推擺氣缸及連桿機(jī)構(gòu)作用下旋轉(zhuǎn)。抓夾環(huán)固定安裝于機(jī)械手安裝板上。擺動套的下端與抓夾環(huán)的上端分別均勻安裝八個銷釘且相互對應(yīng)，八條抓緊索順次套裝在上下八個銷釘上并可繞各自銷釘轉(zhuǎn)動，應(yīng)保證抓緊索上端與下端的安裝依次偏轉(zhuǎn)1350。

抓手工作時擺動套順時針轉(zhuǎn)動，八個抓緊索的上端在擺動套的帶動下轉(zhuǎn)動，下端由于與抓夾環(huán)連接保持不動，因此每一條抓緊索均旋轉(zhuǎn)一定的角度，使八個抓緊索之間組成的空間縮小，從而實現(xiàn)對濾層和中心管組合的抓取動作；擺動套逆時針轉(zhuǎn)動，使八個抓緊索之間組成的空間放大，實現(xiàn)對所述濾層和中心管組合的釋放動作。

2.2 鋼絲索設(shè)計

在這個包絡(luò)式抓手中，鋼絲繩的長度和擺動套的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計較為關(guān)鍵，如果長度長了，擺動的角度不夠，則無法夾緊產(chǎn)品；但如果長度短了，擺動的角度太大，則會使抓手抓的太緊，造成濾層表面有痕跡，產(chǎn)生不良品。

如圖4是鋼絲索包絡(luò)式抓手的俯視圖，本文所設(shè)計鋼絲索包絡(luò)式抓手采用八條鋼絲索。其中圖4(a)是110mm抓手放松狀態(tài)，圖4(b)圖是58.5mm抓手夾緊狀態(tài)，為了便于計算所述鋼絲索的長度以圖4(b)所示的夾緊狀態(tài)下的鋼絲索，來計算鋼絲索的最長長度。

圖4 濾層中心管釋放和抓取狀態(tài)簡圖

如圖4所示分別用大寫字母A、B、C、D、E、F、G、H和A0、B0、C0、D0、E0、F0、G0、H0對應(yīng)表示擺動套和抓夾環(huán)上八個銷釘?shù)膶?yīng)位置。用小寫字母aibi（i=1，2，…，8）表示一條鋼絲索上的兩個端點，其中a1連接抓夾環(huán)上A點位置，b1連接擺動套上D0點位置，當(dāng)擺動套順時針旋轉(zhuǎn)時，b1從D0位置移動到F0位置，鋼絲索收緊濾層，此時鋼絲索a1b1分別與濾芯交于P點和Q點，將圖形投影到下端，可得到如圖5所示的投影圖，其中點P和點Q的投影點分別為點p和點q。

圖5 鋼絲索投影圖

在△AOF中，由余弦定理可得：

式中，AO=0F=R且R是八個銷釘組成圓的半徑。

在△AOp和△FOq中，由勾股定理計算可得：

式中r：為濾芯收緊到58.5mm時的半徑。

分別作點p和點q到直線AF的垂線，垂足分為點p0和點q0，由勾股定理可得：

如圖6所示，為鋼絲索在空間中的平面圖，用h、h1、h2、h3分別表示擺動套到抓夾環(huán)的垂直距離、點A到點P的垂直距離、點Q到點q的垂直距離、點P到點Q的垂直距離，由平行線分線段成比例定理可知：

圖6 鋼絲索空間平面圖

由投影定理可知：

根據(jù)螺旋線計算公式[7]得：

式中，d為濾芯收緊到58.5mm時的直徑。

故鋼絲索的總長度為：

將式(1)～式(6)代入式(7)即可得到鋼絲索需要的長度，具體數(shù)據(jù)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同而不同，這里不加概述。

2.3 擺動套驅(qū)動力計算

擺動套的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，其驅(qū)動力大小也是關(guān)鍵參數(shù)。若驅(qū)動力過大，即將導(dǎo)致濾層出現(xiàn)壓痕，破壞產(chǎn)品質(zhì)量，但若驅(qū)動力過小，則可能無法夾緊濾層，導(dǎo)致機(jī)械手移載過程中濾層的掉落。

采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推擺氣缸驅(qū)動擺動套的旋轉(zhuǎn)，如圖7所示機(jī)構(gòu)運動簡圖[8]。由2.2節(jié)可知，濾芯完成從110mm的規(guī)格加工到58.5mm的規(guī)格時，轉(zhuǎn)臂順時針轉(zhuǎn)動900。轉(zhuǎn)臂的長度為l1，則推擺氣缸最大的行程L為：

由于濾層紙張的變形較難計算，故采用實驗方法得到其鋼絲索最大拉力為13.7N，由力矩平衡知氣缸輸出推力F=18N，由氣缸輸出效率為0.6[9]，可知氣缸理論輸出力F0=F/0.6=30N，則氣缸的直徑D為：

式中，P為工作壓力，0.4MPa。

將上述數(shù)據(jù)代入式(8)得D=9.7mm，故選取氣缸缸徑為10mm。

圖7 驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動簡圖

3 結(jié)論

針對在濾層縮緊的過程中出現(xiàn)個別風(fēng)琴褶的不規(guī)整，一些褶皺在壓緊的過程中會錯位，使濾層不能形成一個完整的圓形的問題，本文分析比較了傳統(tǒng)夾緊方式出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，設(shè)計了一種鋼絲索包絡(luò)式抓手，不僅解決了上述問題，同時可以抓取不同直徑大小的產(chǎn)品，提高裝配線更換加工產(chǎn)品時設(shè)備調(diào)整的效率，最后對鋼絲索的長度和推擺氣缸的選取進(jìn)行了計算。