□□ 王 慧

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著社會步入以智能化、信息化為特點的工業(yè)4.0時代，各種自動化因素正注入工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，其作為企業(yè)的核心競爭力，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，更體現(xiàn)在人機(jī)智能方面，能夠代替生產(chǎn)中簡單的、反復(fù)的、高危性的操作。而機(jī)器人的出現(xiàn)更好地詮釋了智能化的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)機(jī)器人多為復(fù)雜剛性結(jié)構(gòu)，需要機(jī)械設(shè)計、計算機(jī)編程及傳感器設(shè)置等多個學(xué)科的技術(shù)交叉融合[1]，具有較高的系統(tǒng)剛度，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)確抓取，同時，不可避免地暴露出結(jié)構(gòu)笨重、安全生產(chǎn)系數(shù)低、人工維護(hù)要求高、精密化生產(chǎn)適應(yīng)性差等缺點。近年來，由柔軟的彈性材料制備的具備連續(xù)變形和較強(qiáng)的適應(yīng)能力的軟體機(jī)器人，表現(xiàn)出產(chǎn)品的高度安全性和接觸能力精準(zhǔn)控制的環(huán)境適應(yīng)性特點，這類機(jī)器人目前在工業(yè)行業(yè)被廣泛推廣。最為典型的末端夾持器，又稱“機(jī)械手爪”，是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的重要分支，按照其自身剛度，分為柔性手爪與剛性手爪[2]。針對現(xiàn)代生產(chǎn)線上產(chǎn)品的獨(dú)立性要求，柔性手爪逐漸取代剛性手爪，以滿足一些自動化生產(chǎn)線的需求。

柔性手爪絕大多數(shù)使用的是硅膠材料，其具有良好的柔軟性與廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。由于硅膠的柔性特點確保了與夾持物體接觸時的可靠性，能夠很好地解決剛性手爪抓取易損物件的問題，使其充分發(fā)揮“剛?cè)岵?jì)”的特點，這也成為柔性手爪廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性因素。

1 方案分析

某企業(yè)生產(chǎn)線自動化上下料時主要采用氣缸配合金屬夾片夾取，這種方式屬于剛性夾取類型，手爪頭部采取金屬夾片配合頭部包膠，自動化手爪夾取放氣缸為剛性取放，在產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程中，易造成產(chǎn)品表面碰劃傷、變形及開裂等缺陷。經(jīng)生產(chǎn)統(tǒng)計，某機(jī)種日生產(chǎn)量為60 000片，由于手爪抓取導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢不良數(shù)高達(dá)160片，不良率為0.27%，單日損失1.9萬余元，每月?lián)p失約50萬元。此類剛性手爪夾取方式已不再適合批量生產(chǎn)，迫切需要設(shè)計一套實現(xiàn)產(chǎn)品適應(yīng)性的末端機(jī)械臂。

結(jié)合該企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量輕、體積小、表面要求高的特點，依據(jù)機(jī)器人機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)及其在批量生產(chǎn)中的應(yīng)用，擬通過以下步驟對其進(jìn)行設(shè)計：整體設(shè)計方案的提出→柔性機(jī)械手爪設(shè)計思路分析→柔性機(jī)械手爪的初步設(shè)計→校驗分析設(shè)計結(jié)構(gòu)→合理調(diào)整柔性機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)→完成符合生產(chǎn)要求的柔性機(jī)械手爪設(shè)計。

柔性機(jī)械手爪的整個動作流程為：首先由機(jī)械手臂帶動柔性手爪前進(jìn)至抓取物體處，到達(dá)抓取位置后，通過向柔性手爪內(nèi)部通入氣體，調(diào)整柔性手爪的局部膨脹與彎曲變形量，隨著氣壓的不斷增大，柔性手爪末端會逐步接觸到抓取物體表面，并產(chǎn)生一定的摩擦力，完成對物體的抓取動作。如果被抓取物體質(zhì)量過大，導(dǎo)致柔性手爪無法將物體抓起，則要在完成夾持、接觸動作之后，向柔性手爪變剛度層進(jìn)行抽真空動作，以便提高柔性手爪的剛度，使整個柔性手爪的抓取力提升。

2 設(shè)計過程

該企業(yè)具有成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗，通過現(xiàn)有成型設(shè)備的改造，自行研制混膠系統(tǒng)，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)變形抓取，具備柔性取放典型特點的軟膠手爪開發(fā)及自制，如圖1所示。

圖1 手爪示意圖

2.1 柔性爪初版設(shè)計

該手爪擬采用注射成型工藝生產(chǎn)。首先，本著脫模方便的設(shè)計理念，設(shè)計出柔性手爪如圖2所示。手爪主體呈梯形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，為了提高手爪剛度，內(nèi)部增加加強(qiáng)肋，投產(chǎn)試運(yùn)行，氣壓使得手爪變形度僅有5°，不符合工藝設(shè)計要求的30°，柔性手指角度出現(xiàn)不可控現(xiàn)象，手爪強(qiáng)度低，無法實現(xiàn)理想抓取。

圖2 柔性爪初版設(shè)計圖

2.2 柔性爪改進(jìn)版設(shè)計

經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員和模具調(diào)試人員反復(fù)試驗，在柔性手爪兩個凸塊中增加加強(qiáng)肋，可提高剛度和變形度；改變以往內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，加設(shè)筋條，提高凸塊活動角度，如圖3所示。經(jīng)試驗，改進(jìn)后設(shè)計出的手爪可實現(xiàn)有效零件抓取，經(jīng)過生產(chǎn)過程中充氣狀態(tài)測量，該手爪變形角度提升到15°，距離設(shè)計目標(biāo)有明顯改進(jìn)，證明設(shè)計思路的可行性，同時經(jīng)試驗柔性爪的工作壓力可達(dá)到0.02 MPa。下一步設(shè)計的重點是通過增加壁厚和加強(qiáng)肋等手段，提高手爪的強(qiáng)度和抓取力。

圖3 柔性爪改進(jìn)設(shè)計圖

2.3 柔性爪定版結(jié)構(gòu)

手爪主要從角度、強(qiáng)度、變形度、力度等方面改善入手，具體改善方案如下：

(1)變形度。通過手爪表面設(shè)計氣囊-加強(qiáng)肋-氣囊結(jié)構(gòu)，如圖4所示。設(shè)計目標(biāo)得到不同的伸長率，可以實現(xiàn)不同位置的變形不同，實現(xiàn)固定角度的變形度。

圖4 柔性爪定版設(shè)計圖

(2)變形角度。為了實現(xiàn)良好的變形角度，特別進(jìn)行設(shè)計方案調(diào)整：一是柔性爪寬度方向，氣囊A1>加強(qiáng)肋A；二是柔性爪高度方向，氣囊B1>加強(qiáng)肋B2，如圖5和圖6所示。通過此次設(shè)計方案調(diào)整，試驗結(jié)果顯示不同強(qiáng)度與不同伸長率變形角度可>30°，同時有效抓取外形及位置為10 mm，滿足設(shè)計要求。

圖5 不同設(shè)計版變形角度趨勢圖

圖6 柔性爪定版設(shè)計局部圖

(3)手爪使用強(qiáng)度。為了有效達(dá)到柔性手爪強(qiáng)度要求，特進(jìn)行調(diào)整：一是頂點部位尺寸，氣囊高于加強(qiáng)肋；二是改變以往塑件壁厚一致性要求，通過結(jié)構(gòu)改變不同壁厚，實現(xiàn)氣囊小于加強(qiáng)肋的壁厚。通過上述調(diào)整，實現(xiàn)了整體柔性爪壁厚最大，伸長率最小，壁厚的調(diào)整，減少氣囊的無用變形，提高了柔性爪工作壓力，達(dá)到0.06 MPa。

(4)手爪抓取力度。增加牛角的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，變形力沿中心向外延伸，間隙最小，抓取力度最大可抓取0.5 kg的產(chǎn)品，如圖7所示。

圖7 柔性手爪設(shè)計力度趨勢圖

2.4 模具改善

以上從結(jié)構(gòu)角度對柔性手爪的生產(chǎn)進(jìn)行改善，試驗結(jié)果證明改善明顯。氣動軟體夾持器主要通過內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的變化或環(huán)境條件變化來產(chǎn)生驅(qū)動力[5]。目前柔性手爪為中空結(jié)構(gòu)，主要材料為硅橡膠，采用分體制造，粘接缺陷明顯，擬采用整體成型。試驗考慮量化生產(chǎn)，柔性爪從模具改善角度入手，提出采用分體式型芯入子，組合為整體型芯參與成型，成型后，又可化整為零，將入子分次去除，確保多氣囊連通結(jié)構(gòu)。經(jīng)一段時間的投入生產(chǎn)使用，該柔性手爪投入使用，效益明顯。手爪生產(chǎn)應(yīng)用如圖8所示。結(jié)合產(chǎn)品價值，其投入生產(chǎn)效益見表1。

圖8 手爪生產(chǎn)應(yīng)用

表1 手爪投入生產(chǎn)效益對比

3 結(jié)語

通過采用氣囊-加強(qiáng)肋-氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時采用不同的壁厚和角度設(shè)計改善，實現(xiàn)了使用壽命長，能有效抓取0.5 kg的產(chǎn)品，手爪變形度高，投資回報率高等特點。量化生產(chǎn)后，通過改變?nèi)嵝允肿B接固定位置，可實現(xiàn)滿足不同尺度規(guī)格產(chǎn)品的抓取任務(wù)，改變簡單手臂的抓取任務(wù)為推動任務(wù)。此外，手爪的設(shè)計經(jīng)驗可廣泛推廣到其他具有易碎和異性食品的夾取、推動任務(wù)領(lǐng)域中，充分體現(xiàn)了該設(shè)計的通用性和應(yīng)用廣泛性。