曹興業(yè)，杜保成，曹炳馳

（平顯智能裝備（深圳）有限責(zé)任公司，廣東深圳 518000）

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，原材料搬運、機床自動上下料是個薄弱環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)中這類工序的費用成本過高、消耗時間過多問題迫切需要解決，再加上此類工序中頻發(fā)的事故，制約了機械自動化的順利發(fā)展。當(dāng)前部分工業(yè)的生產(chǎn)線已采用自動上下料機械裝置，自動上下料裝置不但減少了工人的勞動強度，也減少了車間管理人員的大量投入，從傳統(tǒng)的一人管理一臺機床轉(zhuǎn)變?yōu)橐蝗斯芾碚麄€車間的狀態(tài)，為企業(yè)降低了成本投入，提高了工作效率。

1 自動上下料機機械手發(fā)展的意義

目前，工業(yè)機械正朝著科學(xué)化、重構(gòu)化、模塊化方向發(fā)展，自動上下料機械手是工業(yè)自動化發(fā)展的必然產(chǎn)物。在復(fù)雜的流水作業(yè)和惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，機械手呈現(xiàn)出的優(yōu)勢明顯，它具有人類手工操作沒有的超精準(zhǔn)定位；能夠借用現(xiàn)代自動化手段實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效分析和綜合治理；采用電腦控制器有效提高整體工作效率和操作水平；集成性高，可以增強工序的安全性能；整合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機床的標(biāo)準(zhǔn)化管理。另外系統(tǒng)中的傳感器也起到了至關(guān)重要的作用，不斷優(yōu)化相關(guān)設(shè)備的速度參數(shù)，達(dá)到機械焊接和裝配的集中管控，優(yōu)化工業(yè)機械設(shè)備的動態(tài)化管理。

2 自動上下料機機械手的應(yīng)用

自動上下料機械手在廣泛的應(yīng)用中優(yōu)勢突出，對工業(yè)生產(chǎn)制造有深遠(yuǎn)的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中的突出應(yīng)用優(yōu)勢是：作業(yè)速度比傳統(tǒng)人工快；不間斷工作，提高了效率；承載物料能力強，運輸傳送移位精準(zhǔn)。這些優(yōu)點還直接降低了生產(chǎn)的故障發(fā)生率。近年來已經(jīng)得到了大量的推廣，多個行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線都已引入了機械手。例如，汽車制造（圖1）中的應(yīng)用、工業(yè)控制（圖2）的應(yīng)用、工業(yè)機器人（圖3）的應(yīng)用。隨著工業(yè)制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，機械手在應(yīng)用中不斷地積累經(jīng)驗、改進技術(shù)，使工業(yè)生產(chǎn)制造效率更高，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

圖1 汽車制造

圖2 工業(yè)控制

圖3 工業(yè)機器人

3 自動上下料機機械手流程設(shè)計

這種融合自動上、下料的機械手生產(chǎn)線，結(jié)合了機械制造、傳輸傳感、自動化控制、人機配合等先進技術(shù)，完全符合生產(chǎn)線的需要，節(jié)約資源，達(dá)到設(shè)備最大化利用，減少了復(fù)雜環(huán)境下不必要的人員浪費，保證了人員的安全，而且機械自動化可以實現(xiàn)生產(chǎn)線的不間斷工作，保證了系統(tǒng)高效運行，提高產(chǎn)量保證質(zhì)量，是工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的必然階段。

3.1 機械手上料流程

（1）自動裝置機械手的上料機工作流程，首先是通過主軸孔向上頂料，第一根料被頂進主軸孔后，緊接著第二根料頂?shù)谝桓希源祟愅?，后料頂前料。自動上料時V 型槽、主軸孔之間要符合標(biāo)準(zhǔn)配置，沒有誤差，這種自動上料方式?jīng)]有間斷，24 h 工作，很好地提高了工作效率。

（2）加置上料盤，主要功能是儲存一定數(shù)量的加工件，保證上料過程不被中斷。為了提高效率，當(dāng)主軸孔頂進新的料后，機械手就直接把加料盤的新料頂入到V 型槽。

（3）在自動化上料時，機械手主要功能就是把毛坯料放入V 型槽，只要有一根進入到V 型槽加料盤之后，下一根毛坯料由于重力的作用就會自動加料給加料盤，如此循環(huán)往復(fù)，機械手旋轉(zhuǎn)一次，加料進行一次。

（4）當(dāng)生產(chǎn)線上完成V 型槽入料后，頂料小車開始工作，主要作用是接收毛坯料并勻速向主軸孔頂入。當(dāng)小車到達(dá)前限位時就會迅速后退到后限位，此時小車的運送頂入工作已完成，機械手就會開始下一個重復(fù)的放進工序，繼續(xù)給V 型槽頂料。

3.2 機械手下料流程

3.2.1 自動化下料機工作流程

機械手自動下料的工作流程簡單易操作，符合長線生產(chǎn)工藝的設(shè)計原則。文中自動化下料就以自動精密玻璃切裂生產(chǎn)線為例，介紹流水生產(chǎn)線上的機械手下料流程。第一步，自動放入玻璃，接著進入到切割工序，切割機切割玻璃，翻板機翻板玻璃；第二步，被切制好的玻璃又被運送到裂斷機壓斷，第二次切割翻板；第三步，也是最后一步，開始拾取玻璃，通過吸塑盤運輸，最后去清洗。整個下料流程中，切割機和裂斷機都安裝有保障視覺對位功能，保障玻璃切割準(zhǔn)確；同時，它還配有粉塵處理裝置，生產(chǎn)線流程上還貼有防護罩，警示，避免操作人員誤傷事故。

3.2.2 自動化下料機工作原理

這里仍然以上述玻璃生產(chǎn)線為例，它的作用是把處理后的玻璃顆粒運送至吸塑盤，接著把成粒玻璃運送給下一步清洗。在整個工序中，切割后的玻璃被移送給下料機，成粒玻璃被抓置到吸塑盤，吸塑盤再運送到下一個作業(yè)流程，整個作業(yè)過程穩(wěn)定不間斷，作業(yè)細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。工作過程中要注意以下6點。

（1）機械手放置玻璃到吸塑盤位置精準(zhǔn)。

（2）機械手識別玻璃是否有粘連、是否有破損，被識別出的破損玻璃會自動放入廢料箱。

（3）機械手抓取尺寸是可以調(diào)節(jié)改變的。

（4）控制程序可以設(shè)置運行狀態(tài)和報警指示燈。

（5）設(shè)備有手動、自動兩種功能，相互配合。

（6）系統(tǒng)的機械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，配套傳送裝置穩(wěn)定可靠。

3.2.3 自動化下料機結(jié)構(gòu)

結(jié)合實際生產(chǎn)需要，該結(jié)構(gòu)的功能主要有4個模塊，分別是升降傳送模塊、玻璃盛放臺模塊、吸塑盤移載模塊和下料機械手模塊，4個模塊互相配合完成一整套下料作業(yè)。此例中應(yīng)用的自動搬運玻璃功能，是常見的工業(yè)自動化機械手操作模式，該技術(shù)已被廣泛使用。

3.3 機械手設(shè)計流程

工業(yè)自動化機械中，上下料機械手有較多種類，在實踐中需要嚴(yán)格篩選類型，以符合實際需要。當(dāng)前，最為常用的機械手有3類：測量式手抓，搬用式手抓和加工式手抓。這3類機械手工作方式差異較大，工作場景大不相同，要根據(jù)實際需要選擇配套的類型。機械手在設(shè)計開發(fā)過程中應(yīng)結(jié)合實際需求不斷改進，同時一定要遵循機械生產(chǎn)的原則。

為了避免自動機械手與萬能手抓的沖突，機械手秉承工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，把機械手的前期工作作為重心，重點突出，在實際應(yīng)用中發(fā)揮它的最大價值。機械手整體架構(gòu)不僅需要有常用的夾持功能，還要設(shè)計其他的專有用途，滿足機械手工作性質(zhì)的需求。同時，還需要配備一個配套的機械按口，主要用來配合尾端執(zhí)行器，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的工作流程。

搬運式手抓是夾持裝置，它有抓取、搬運兩項功能；加工式手抓是基于機械手的功能，也可稱為另外的一種機械設(shè)備，配有焊槍和鐵刀等工具，主要是用來進行加工作業(yè)。在實際自動化上下料操作時，結(jié)合配套的機床作業(yè)，使機械手發(fā)揮出最大作用。

4 自動上下料機機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中介紹的自動化生產(chǎn)線上下料機械手的技術(shù)參數(shù)是：手臂上升和下降的范圍區(qū)間是500 mm，旋轉(zhuǎn)的運動區(qū)間是180°，伸縮方向的區(qū)間是500 mm，包含上升下降、打開合閉、伸開縮回、旋轉(zhuǎn)等4種運動。

4.1 整體結(jié)構(gòu)

機械手整理結(jié)構(gòu)主要有機體、手臂、腕部、手部等4個部位。

4.1.1 機械手機體結(jié)構(gòu)

圓形結(jié)構(gòu)的機體完全符合機械強度和保持手平衡要求，是整個聯(lián)接支撐板，可以承載機械手所有動作的受力，通過有限元分析的手段不斷地優(yōu)化機械手設(shè)計結(jié)構(gòu)，達(dá)到其受力強度要求。目前，穩(wěn)定的機身機構(gòu)采用的是圓形，配備可移動式底座，利用鉸制孔螺紋和半凸緣式空心座套連接，再安裝圓形套蓋，套板上配置支撐板。這樣的設(shè)計使機械手成為獨立的操作系統(tǒng)，方便安裝移動，也可與其他工業(yè)設(shè)備結(jié)合，作為便攜式機械手配套使用。

4.1.2 機械手手臂結(jié)構(gòu)

機械手的手臂采用不同的工藝設(shè)計來滿足四種運動需求。上升下降運動是利用絲杠和螺母間嚙合，使兩者之間相互作用實現(xiàn)手臂上下移動。為設(shè)備合理設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)，增設(shè)雙導(dǎo)向平衡裝置，保證工作過程中的穩(wěn)定運行，避免偏置力矩引起的不連續(xù)運動或者卡死情況。

4.1.3 機械手腕部結(jié)構(gòu)

機械手的腕部為凸緣式設(shè)計，保證手臂的回旋動作順利進行。伸縮運動的設(shè)計是采用液壓驅(qū)動與內(nèi)外壁互相配合，滿足伸縮要求，遵循最小化結(jié)構(gòu)尺寸原則。機械手的腕部凸緣式設(shè)計，外伸是為了保證液壓驅(qū)動滿足180°區(qū)間回旋。

4.1.4 機械手手部結(jié)構(gòu)

機械手手部的打開和關(guān)閉是利用手指來完成的。手部結(jié)構(gòu)是利用鉸鏈?zhǔn)戒N軸連接手腕和手指，形成轉(zhuǎn)動副。手臂的伸縮帶動回轉(zhuǎn)銷軸達(dá)到手指開合功能。一般工業(yè)上的手指采用的是V 型塊結(jié)構(gòu)，也有部分企業(yè)使用圓弧外抱式、直行防滑墊式結(jié)構(gòu)。實際機械制造中，會針對工業(yè)件的大小、形狀，靈活切換模式，減少工業(yè)成本投入，提高機械手的通用性。

4.2 機械手絲桿尺寸結(jié)構(gòu)

機械手是通過絲桿實現(xiàn)上升和下降運動的，設(shè)計絲桿時應(yīng)該根據(jù)剛度確定尺寸和主要參數(shù)，對機械手的穩(wěn)定性和自鎖校驗。實際操作過程中，可以依據(jù)機械的承載和成本投入，確定絲桿的設(shè)計。

4.3 機械手手部建模

機械手的手部建模是三維實體模型，在底層根據(jù)零件要求插入裝配體形成建模模型。

4.3.1 機械手手爪的建模

在機械手的裝配模塊中，在裝配界面先選擇上手抓零件，再插入零部件按鈕，通過界面菜單調(diào)出V型塊，機械手平面基準(zhǔn)的配合可以選擇兩個同心圓，最后組合形成手指和手掌的裝配三維圖模型。

4.3.2 機械手手部與腕部裝配

在裝配模塊界面中，將腕部、手部以及零件驅(qū)動在同一界面裝配。接著通過配合管理器來選取腑部裝配體和手部驅(qū)動油缸，腕部驅(qū)動油缸和腕部裝配體，再設(shè)定兩個需要配合的基準(zhǔn)裝配軸曲面，實現(xiàn)手部與腕部的裝配。

4.3.3 機械手手部實體運動仿真

最后點擊進入動畫界面管理，選擇動畫向?qū)?，使用旋轉(zhuǎn)運動基準(zhǔn)軸，調(diào)整手的轉(zhuǎn)動方向和旋轉(zhuǎn)次數(shù)。在左側(cè)的關(guān)系樹中利用時間軸選擇配合的尺寸，模擬出機械手部動作路線。這樣形式的設(shè)計，手部運動顯示直觀，修改方便，可及時修正減少不必要的損失，也降低了制造成本。

5 結(jié)束語

綜上所述，生產(chǎn)線的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性強，功能復(fù)雜的加工工藝。隨著當(dāng)代科技的加速創(chuàng)新，機械生產(chǎn)線的自動化流程也跟著發(fā)生了翻天覆地的變化。對一種生產(chǎn)線來說，科學(xué)合理地設(shè)計自動化上料下料工藝，不斷改進生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)運行參數(shù)，提高效率，可實現(xiàn)工業(yè)機械化生產(chǎn)的高質(zhì)量目標(biāo)。當(dāng)然，工業(yè)生產(chǎn)管理人員還要不斷提高專業(yè)技術(shù)人員的個人能力，結(jié)合生產(chǎn)線的實際情況，全線管理，制定合理的機械運行管理機制，借用先進的科學(xué)技術(shù)，發(fā)揮自動化上料下料機械手的最大優(yōu)勢，使機械工件運行時間、生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。另外，機械手三維實體建模可以模仿整機結(jié)構(gòu)進行模擬裝配，仿真檢驗運動情況；在滿足機械設(shè)備運行功能的前提下，對主要工作部件進行強度校核等，這些都是對自動化上下料機械手進行優(yōu)化的措施。