董 偉

（1.純電動(dòng)轎車及關(guān)鍵零部件河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 三門峽 472000； 2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

1 前言

在一些工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工人由于工作原因，往往會(huì)受到易燃易爆、致命氣體等因素的存在，增加員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至危及生命。因此，保障生產(chǎn)安全，降低生產(chǎn)價(jià)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)最應(yīng)該面對(duì)的問題。自動(dòng)化卸模機(jī)械手主要解放了工人在易燃易爆等惡劣環(huán)境下繁重而頻繁的操作，雖然它不像手那樣用途靈活，但它的特點(diǎn)是可以不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知道疲勞，不畏懼危險(xiǎn)，而且抓舉重物的力氣也比手的力氣大，特別是在高空、粉塵、易燃、易爆、高溫的惡劣環(huán)境中操作中代替人作業(yè)，因此，它的應(yīng)用越來越廣泛，在遠(yuǎn)程觀察下，自動(dòng)卸模機(jī)械手會(huì)從加裝區(qū)將模具從螺旋壓力機(jī)構(gòu)上安全卸下，并運(yùn)送到螺旋水泥平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)無先導(dǎo)卸模操作。卸模機(jī)械手的出現(xiàn)為卸模工作的完成提供了可靠的專業(yè)保障，為更全面實(shí)現(xiàn)模具更換的無人操作提供了參考[1]。

2 機(jī)械手的功能分析

2.1 模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模具有6套，形狀相似，尺寸差異大不，長約1250mm，全身鋼鐵結(jié)構(gòu)，重約500kg，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖

2.2 機(jī)械手的組成

根據(jù)模具機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和車間的布置，采用龍門架結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機(jī)械手，滿足模具裝卸空間運(yùn)輸?shù)囊蟆?機(jī)械手主要由執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和位置檢測裝置組成[2]。 執(zhí)行器包括手，腕，臂，柱等部分。驅(qū)動(dòng)裝置主要包括防爆電機(jī)和氣缸，通過接近開關(guān)來防止機(jī)械部件間的碰撞，通過氣缸拉動(dòng)齒條來完成手爪的張開閉合，由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成機(jī)械手的各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，通過配合可完成模具的裝卸。機(jī)械手的控制系統(tǒng)通常由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機(jī)械停止定位）系統(tǒng)組成，如有必要，它可以監(jiān)視機(jī)械手的動(dòng)作并在出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

2.3 卸模工作流程

在制定設(shè)計(jì)方案之前，要整理出卸模機(jī)械手的管理方法，首先卸模機(jī)械手從任何位置開始返回起始位置的方法，整個(gè)過程中，機(jī)械手爪打開到最大角度，機(jī)械手臂提升到最高位置，龍門框架也返回到左側(cè)原點(diǎn)。在手動(dòng)模式下，操作者在視頻觀察的幫助下，啟動(dòng)命令按鈕進(jìn)行操作。卸模機(jī)械手的提臂和側(cè)臂配備有接近開關(guān)，可精確到達(dá)計(jì)劃的停止位置。對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要達(dá)到的位置建議點(diǎn)動(dòng)微調(diào)。

3 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)

手爪是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件，其通過齒條的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張開閉合，根據(jù)模具外形和質(zhì)量大小，機(jī)械手的手爪采用兩個(gè)機(jī)械夾鉗式手爪將模具前后抓住來搬運(yùn)工件。手爪的各種運(yùn)動(dòng)通常使用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手爪采用氣缸作為其動(dòng)力元件。從受力情況分析，當(dāng)它在工作中，是直接承受安裝框架，手部及工件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載，并有額外的自己運(yùn)動(dòng)。因此，手爪的結(jié)構(gòu)、工作行程和靈活性等直接影響機(jī)構(gòu)的工作性能[3]。

3.1 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)分析

（1）手爪應(yīng)具有較大的承載能力、良好的剛度和輕巧的自重；

（2）截面形式和輪廓尺寸應(yīng)根據(jù)受力情況進(jìn)行選擇；

（3）提高支承剛度，合理選擇支承目的距離；

（4）手部運(yùn)動(dòng)要靈活，慣性要小。

3.2 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）手爪的類型。 工業(yè)機(jī)械手常用的手爪按夾持工件的原理將其分為兩類：夾持式和吸附式。吸附式通常習(xí)慣于抓取工件表面平整、空間巨大的板狀物體，而夾持式則會(huì)帶動(dòng)負(fù)荷較重的模具，且夾持程度較高[4]。根據(jù)模具的形狀和尺寸，本設(shè)計(jì)選用了夾持機(jī)械手的手爪。以便使機(jī)械手能夠游刃有余地操縱工件，因此本設(shè)計(jì)選擇了兩個(gè)夾緊手爪，夾緊力由兩個(gè)氣缸提供。手爪通過手爪固定座安裝到機(jī)械手調(diào)整架上。

（2）齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1）按照所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用齒輪齒條傳動(dòng)；

2）防爆機(jī)械手為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）；

3）材料選擇。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1選擇小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS；

4）閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，小齒輪的齒數(shù)Z1=20-40，所以選擇小齒輪的齒數(shù)Z1=28。

這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)裝置在做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)的基礎(chǔ)上，又滿足了各齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。

（3）安裝座的設(shè)計(jì)。

側(cè)板的作用主要是用來固定機(jī)械手爪和氣缸，用來確定手爪和齒條的位置，是機(jī)械手的重要組成部分，如圖2為機(jī)械手側(cè)板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 機(jī)械手側(cè)板結(jié)構(gòu)圖

（4）氣動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

防爆卸模機(jī)械手手爪由氣動(dòng)元件控制，氣缸的伸開和關(guān)閉由三位五通電磁閥控制，而閥芯在中間位置內(nèi)，可長時(shí)間鎖定氣缸，在斷氣瞬間防止手爪伸開[5]。節(jié)流閥將改變空氣流量，形成機(jī)械手的緩慢夾持速度及穩(wěn)定。PLC控制氣動(dòng)系統(tǒng)，PLC邏輯輸出管理方向閥的繼電器開/關(guān)，實(shí)現(xiàn)方向閥體的動(dòng)作，并完成氣路的開/關(guān)，以控制氣動(dòng)回路。

3.3 機(jī)械手手爪的張開角度計(jì)算校核

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3.1 對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行張開角度計(jì)算校核

在設(shè)計(jì)初期先假設(shè)使用型號(hào)為CDGPB15-150-D-B-97的氣缸，那么氣缸活塞桿伸長量為150mm，那機(jī)械手抓旋轉(zhuǎn)角度為，則理論最大垂直距離為19.53mm，那么最終可實(shí)現(xiàn)向上提升距離為169.53mm＜240mm（模具夾持位置直徑），那么張開角太小，無法進(jìn)行零件夾取。

圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖4 機(jī)械手抓張開角度圖

3.3.2 對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械手手爪進(jìn)行張開角度計(jì)算校核

通過分析，需對(duì)三部分進(jìn)行調(diào)整：首先更改氣缸型號(hào)，選用CDGPB15-200-D-B-97的氣缸，則氣缸活塞桿伸長量為200 mm，其次將機(jī)械手手抓下部分減小50mm，第三安裝旋轉(zhuǎn)銷位置提高100mm。機(jī)械手抓旋轉(zhuǎn)角度為，則理論最大垂直距離為118.26mm，那么最終可實(shí)現(xiàn)向上提 升距離為118.26+100+50=268.26＞240mm，那么張開角滿足要求，可進(jìn)行零件的夾取。

圖5 機(jī)械抓重新設(shè)計(jì)后張開角度后

4 結(jié)論

防爆機(jī)械手是惡劣環(huán)境中裝配的重要工具，本文針對(duì)模具的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手組成，對(duì)機(jī)械手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)了手爪的類型，并對(duì)機(jī)械手爪的張開角度初步進(jìn)行了計(jì)算校核，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使張開角滿足模具的要求，可進(jìn)行零件的夾取。