王玉華，潘中正

合肥經(jīng)濟學(xué)院，安徽 合肥 230000

1 自動上下料機械手的研究現(xiàn)狀和趨勢

機械手是實現(xiàn)機械自動化生產(chǎn)的重要手段，機械手是工業(yè)機器人取代人類體力勞動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。全球制造業(yè)正加速向工業(yè)4.0邁進，我國的“中國制造2025”計劃中，明確30年三步走計劃，爭取在中華人民共和國成立100周年時成為制造業(yè)強中之強。其發(fā)展核心就是智能制造，而智能制造發(fā)展的核心是自動化，自動化的實現(xiàn)離不開機械手臂。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)、枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率[1]。機械手在機械行業(yè)中可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，適用于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，且適應(yīng)性很強。

我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平較低，機械手的研究和開發(fā)直接影響我國自動化生產(chǎn)水平的提高，因此從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。

目前，自動上下料機械手在運行過程中會存在運行不平穩(wěn)現(xiàn)象和振動現(xiàn)象[2]，因此，文章主要從硬件選擇方面對機械手進行優(yōu)化，提高其在運行過程中的穩(wěn)定性。

2 自動上下料機械手工作環(huán)境的要求

該課題的自動上下料機械手在實際的生產(chǎn)過程中用在沖壓流水線上。

2.1 機械手參數(shù)的相關(guān)要求

使用上下料機械手是為了避免人工上下料時出現(xiàn)的意外，實現(xiàn)無人上下料。自動上下料機械手完成工件的搬運后，可完成工件整體的轉(zhuǎn)移。設(shè)計機械手基本的要求如下：

（1）負載能力大于70N；

（2）車間流水線上代加工工件能夠準確地放到?jīng)_床上，加工后能夠準確地放到工作臺上，檢測之后能夠?qū)⒐ぜ诺较乱粋€沖床上；

（3）使機械手和沖床之間的運動相互不干擾；

（4）機械手方便裝配和拆卸，節(jié)省空間；

（5）機械手應(yīng)該有緊急應(yīng)急程序，以便處理突發(fā)的情況。

根據(jù)要求選擇合適的驅(qū)動電機，且確定各個軸之間傳動的方法，再確定各個軸的參數(shù)和機械手其他的細節(jié)部分。

2.2 機械手的自由度和動作要求

在實際生產(chǎn)加工中，自動機械手要完成在三個工作臺上的相互搬運工件的動作，一個工作周期之內(nèi)要到達三個位置，即沖床A、檢測臺以及沖床B。自動機械手在搬運過程中需要抓取工件、上移、轉(zhuǎn)動以及放料。上升下移需要有z軸的移動，三個位置的互換最少要有z軸的轉(zhuǎn)動，故要滿足自動上下料的機械手最少需要2個自由度，初步設(shè)計機械手如圖1所示。

圖1 拾取沖床A工件

圖1 中，機械臂z軸能轉(zhuǎn)動，在該機械臂上再安裝1個能夠抓取和釋放工件的機械臂，且該機械臂可以上下移動，才能達到工件的搬運和轉(zhuǎn)移的要求。

考慮到轉(zhuǎn)動式機械手在工作空間上存在不便，可以將轉(zhuǎn)動式改成直線式并設(shè)置x軸和z軸兩根懸臂。

起始位置時，x軸在z軸右邊，懸臂拾取沖床A上和檢測臺上已經(jīng)檢測好的工件，此時懸臂上移，然后沿著x軸向右移，之后將沖床A加工后的工件轉(zhuǎn)移到檢測臺上方，檢測臺檢測后的工件轉(zhuǎn)移到?jīng)_床B的上方，最后懸臂下移放下工件，完成工件在沖床A、檢測臺和沖床B之間的轉(zhuǎn)運，如圖2所示。

圖2 釋放工件到?jīng)_床B

3 自動上下料機械手硬件選擇

自動上下料機械手控制系統(tǒng)硬件包含了電動機、電磁繼電器、傳動方式、吸附方式。

3.1 步進電機

在機械自動化生產(chǎn)過程中，有兩種常用的電動機，一個是步進電動機，另一個是伺服電動機。

該課題的機械手系統(tǒng)，x軸和z軸都選用了步進電動機，原因如下：

（1）機械手在運行過程中速度穩(wěn)定，防止傳動時速度不均勻而產(chǎn)生抖動；

（2）機械手在整個工作過程中全部都是平移運動。

課題中，滾軸絲杠的驅(qū)動力由機械手臂的z軸電動機提供的步距角為1.8°，z軸的移動距離是300mm，螺紋距離是5mm。

3.2 傳動方式

常見的傳動方式包括同步皮帶傳動、滾珠絲杠傳動以及齒輪條傳動[3]。驅(qū)動模式的選擇與上下料機械手的實際工作環(huán)境有關(guān)。對于該課題研究的上下料機械手，同步皮帶傳動、滾珠絲杠傳動、齒輪條傳動都能滿足要求。然而考慮到兩方面因素，一是兩個沖床間隔比較大、自重的變形因素；二是工件的搬運需要準確地落入工位槽內(nèi)，因此，機械手的x軸采用同步帶傳動驅(qū)動，z軸可以由滾珠絲杠傳動驅(qū)動。

3.3 吸附裝置

吸附裝置是自動上下料機械手設(shè)備中一個非常重要的裝置。一般情況下，有真空吸盤、機械手夾式吸盤和電磁吸盤[4]。該課題設(shè)計中的沖壓物料為磁性材料，因此選用電磁式吸附式吸盤。電磁式吸盤是利用物理電磁原理吸取磁性材料的一種裝置。課題設(shè)計選用的電磁吸盤主要參數(shù)如表1所示。

表1 電磁吸盤主要參數(shù)

4 機械手仿真結(jié)果

（1）啟動SolidWorks，選擇“文件”打開機械手裝配圖；

（2）選擇Motion分析功能，SolidWorks Motion作為SolidWorks自帶插件；

（3）對各個部件進行距離約束；

（4）對連接板進行距離約束，距離設(shè)置為230mm，動畫時間設(shè)置為6s；

（5）對懸臂進行距離約束，距離設(shè)置為250mm，動畫時間設(shè)置為4s；

（6）對電磁鐵進行距離約束，距離設(shè)置為50mm，動畫時間設(shè)置為0.1s。

通過仿真運行驗證優(yōu)化方案的合理性，可知該方法在一定程度上提升了工件在運行過程中的平穩(wěn)性，運行過程如圖3所示。

圖3 仿真過程示意圖

5 結(jié)束語

沖床中的自動上下料機械手主要傾向于機械手運動動作簡單、工作時間長、次數(shù)高、工作過程中機械手的運動平穩(wěn)、流水線加工中有較高的加工精度，該課題設(shè)計的關(guān)鍵在于機械手整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并通過仿真運行驗證了結(jié)構(gòu)的合理性。但在硬件選用方面還存在一定的不足之處，并且無法很好地實現(xiàn)自動化，檢測到不合格件時需要手動干預(yù)。因此，該課題接下來的研究重點是提高硬件的精度及運動的全自動化。