周曉曉，陳湘尹，馮 凡

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

目前，在大多數(shù)的高層建筑物中，通常使用PVC 材料制成的下水管道，在高層建筑物中，由于無支管排水管道，如果管道底部堵塞就會產(chǎn)生較大水壓，采用傳統(tǒng)的連接，連接處往往很容易漏水，甚至爆開。

管件在加工過程中，都需要通過管件打磨機將管件的端部進行打磨作業(yè)，這樣能夠提高管件的穩(wěn)定性能。但現(xiàn)在均是采用人工打磨方式對管件的端部進行打磨，這樣的打磨方式效率不高，表面質(zhì)量一致性差，且高強度的打磨操作致使工人手臂酸痛，生產(chǎn)安全系數(shù)低，打磨過程中產(chǎn)生的金屬粉末對人體健康造成不良影響[1]。為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者在打磨機器人研究領(lǐng)域取得了一些研究成果，Peng Li[2]設(shè)計了一種用于裝飾品木箱表面打磨的機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機械手抓取機構(gòu)和木箱放置機構(gòu)和砂紙帶打磨機構(gòu)組成；蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司基于鑄件葉片表面毛刺的清理，研制了高速清理葉片表面的機器人磨拋設(shè)備[3]；張一然[4]以碳纖維復(fù)合材料為研究對象，研發(fā)了基于被動柔順控制模式的專用打磨末端執(zhí)行器。

本文為解決企業(yè)打磨過程中自動化程度低等生產(chǎn)問題，基于管件加工生產(chǎn)線對管件內(nèi)孔、外圓的打磨關(guān)鍵技術(shù)進行研究。結(jié)合現(xiàn)有不足，設(shè)計開發(fā)了一種全自動管件打磨機器人，有助于提高管件加工行業(yè)的自動化水平，推動全機械化社會的進程，改善人民的生活質(zhì)量，實現(xiàn)更高水平更高質(zhì)量的發(fā)展。

1 總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的全自動管件打磨機器人，包括加工臺、安裝在加工臺上的定位承料裝置、設(shè)置在加工臺內(nèi)并且用于驅(qū)動定位承料裝置在加工臺頂部移動的承料驅(qū)動裝置和安裝在定位承料裝置輸出端處的去毛刺裝置，如圖1所示。設(shè)計加工臺為矩形中空結(jié)構(gòu)，定位承料裝置包括安裝在加工臺頂部的承載部件和固定設(shè)置在承載部件頂部用于裝載若干待加工管件的承料架，承料驅(qū)動裝置包括設(shè)置在加工臺內(nèi)間隙移料部件和用于驅(qū)動間隙移料部件在加工臺上移動的承料驅(qū)動部件，加工臺的頂部設(shè)有供間隙移料部件作業(yè)的第一通槽，間隙移料部件穿過第一通槽與承載部件傳動連接，去毛刺裝置包括設(shè)置在加工臺頂部的限位承載部件和安裝在限位承載部件頂部用于驅(qū)動待加工的管件進行去毛刺作業(yè)的旋轉(zhuǎn)摩擦部件。

圖1 管件的加工制備機的立體結(jié)構(gòu)示意圖

加工臺內(nèi)設(shè)有沿著加工臺的長度方向向外設(shè)置的第一容納腔，加工臺的側(cè)部設(shè)有能夠打開的側(cè)門，第一容納腔的側(cè)壁上設(shè)有供承料驅(qū)動部件安裝的支撐板，支撐板呈水平狀態(tài)設(shè)置。

如圖2所示，承載部件包括兩個對稱安裝在加工臺頂部的第一導(dǎo)軌[5]，每個設(shè)計的第一導(dǎo)軌上均套設(shè)有第一滑塊，第一通槽位于兩個第一導(dǎo)軌之間，第一導(dǎo)軌沿著加工臺的長度方向延伸設(shè)置，每個第一滑塊均能夠安裝在第一導(dǎo)軌上。

圖2 管件的加工制備機的俯視圖

圖3 圖2中沿A-A線的剖視圖

設(shè)計承料架為矩形框架結(jié)構(gòu)，承料架上沿著加工臺的長度方向設(shè)有若干等間距設(shè)置的用于儲存待加工管件的儲料槽，每個儲料槽的側(cè)壁上均設(shè)有第二通槽，每個第二通槽均沿著加工臺的寬度方向貫穿儲料槽，承料架的底部設(shè)有限位板，限位板上沿著加工臺的長度方向設(shè)有若干等間距設(shè)置的凹槽，在工作狀態(tài)下，間隙移料部件能夠作用于凹槽。

限位承載部件包括安裝在加工臺頂部且位于承料架輸出端處的承載組件、安裝在承載組件上且能夠沿著加工臺的寬度方向移動的承載滑動組件和安裝在加工臺頂部用于驅(qū)動承載滑動組件沿著寬度方向的限位驅(qū)動組件，設(shè)計的旋轉(zhuǎn)摩擦部件[6]包括安裝在承載滑動組件上的旋轉(zhuǎn)定位組件和能夠轉(zhuǎn)動的安裝在旋轉(zhuǎn)定位組件上的摩擦組件。

間隙移料部件包括安裝在加工臺內(nèi)且位于第一容納腔的頂部的限位移動板和安裝在限位移動板內(nèi)的限位滑動塊，限位移動板靠近第一通槽的一側(cè)設(shè)有供限位滑動塊移動的滑動槽，滑動槽的豎直截面為凸字型結(jié)構(gòu)，限位滑動塊能夠沿著加工臺的長度方向移動。

限位滑動塊靠近第一通槽的側(cè)壁上設(shè)有插播塊，插播塊通過定位螺栓能夠活動的安裝在限位滑動塊上，限位滑動塊靠近第一通槽的另一端與承料驅(qū)動部件傳動連接。

承料驅(qū)動部件包括安裝在支撐板上的驅(qū)動組件、安裝在驅(qū)動組件旁側(cè)的聯(lián)動組件和安裝在聯(lián)動組件與限位滑動塊之間的連桿部[7]，聯(lián)動組件與驅(qū)動組件傳動連接。

圖4所示為管件的加工制備機的局部立體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動組件[8]包括安裝在支撐板頂部的驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的主軸上安裝有第一皮帶輪，聯(lián)動組件包括聯(lián)動機、聯(lián)動機的傳動軸，且靠近第一皮帶輪的一端設(shè)有第二皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶連接，連桿部包括第一連桿和第二連桿，第一連桿的一端與限位滑動塊傳動連接，第二連桿的一端與聯(lián)動機遠離第二皮帶輪的傳動軸傳動連接，第一連桿與第二連桿靠近的一端鉸接。

圖4 管件的加工制備機的局部立體結(jié)構(gòu)

承載組件包括兩個對稱設(shè)置的第二導(dǎo)軌，每個設(shè)計的第二導(dǎo)軌上均設(shè)有若干等間距設(shè)置的螺紋孔，每個第二導(dǎo)軌通過若干螺栓固定安裝在加工臺上，限位驅(qū)動組件設(shè)置在兩個第二導(dǎo)軌之間。

承載滑動組件包括同時安裝在兩個第二導(dǎo)軌上的承載滑動板，承載滑動板的底部的兩端分別承載卡接塊，兩個承載卡接塊與兩個第二導(dǎo)軌一一對應(yīng)。

設(shè)計的旋轉(zhuǎn)定位組件包括安裝在承載滑動板頂部的承載圓柱和安裝在承載圓柱上的鉸接部，承載圓柱呈豎直狀態(tài)安裝在承載滑動板上，鉸接部為圓柱形結(jié)構(gòu)的鉸接塊，鉸接塊上設(shè)有呈矩形結(jié)構(gòu)的第三通槽，第三通槽沿著加工臺的寬度方向貫穿鉸接塊。

摩擦組件包括承載彎柱和安裝在承載彎柱端部的摩擦塊，承載彎柱能夠轉(zhuǎn)動安裝在鉸接塊內(nèi)，承載彎柱呈倒置的L 型結(jié)構(gòu)，摩擦塊靠近承載彎柱的端部與承載彎柱鉸接[9]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

根據(jù)工作流程與技術(shù)要求，下面對管件的加工制備機的關(guān)鍵部件進行設(shè)計?？傮w設(shè)計以合理、緊湊、實用為前提，提高設(shè)備的穩(wěn)定性、工作效率和動作連貫性[10]。

2.1 定位承料部件設(shè)計

如圖5所示為定位承料裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，加工臺內(nèi)設(shè)有沿著加工臺的長度方向向外設(shè)置的第一容納腔，加工臺的側(cè)部設(shè)有能夠打開的側(cè)門，第一容納腔的側(cè)壁上設(shè)有供承料驅(qū)動部件安裝的支撐板，支撐板呈水平狀態(tài)設(shè)置，第一容納腔的設(shè)置滿足了對間隙移料部件和承料驅(qū)動部件的安裝作業(yè)，滿足對承料架上的若干待加工的管件進行移料作業(yè)。

圖5 定位承料裝置的立體結(jié)構(gòu)

承載部件包括兩個對稱安裝在加工臺頂部的第一導(dǎo)軌，每個第一導(dǎo)軌上均套設(shè)有第一滑塊，第一通槽位于兩個第一導(dǎo)軌之間，第一導(dǎo)軌沿著加工臺1 的長度方向延伸設(shè)置，每個第一滑塊均能夠拆卸的安裝在第一導(dǎo)軌上，兩個第一導(dǎo)軌的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)對承料架的承載作業(yè)，進而能夠?qū)崿F(xiàn)將若干管件傳送至旋轉(zhuǎn)摩擦部件的位置，滿足對管件的打磨作業(yè)。

承料架為矩形框架結(jié)構(gòu)，承料架上沿著加工臺1 的長度方向設(shè)有若干等間距設(shè)置的用于儲存待加工管件的儲料槽，每個儲料槽的側(cè)壁上均設(shè)有第二通槽，每個第二通槽均沿著加工臺的寬度方向貫穿儲料槽，承料架的底部設(shè)有限位板，限位板上沿著加工臺的長度方向設(shè)有若干等間距設(shè)置的凹槽，每個凹槽，在工作狀態(tài)下，間隙移料部件能夠作用于凹槽，若干儲料槽的設(shè)置能夠滿足對若干管件的儲放作業(yè)，可一次儲放多根管件準備進行打磨，節(jié)省了人力，提高了作業(yè)效率，承料架底部的限位板的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)與間隙移料部件的傳動作業(yè)，進而實現(xiàn)對承料架的驅(qū)動作業(yè)。

間隙移料部件包括安裝在加工臺內(nèi)且位于第一容納腔的頂部的限位移動板和安裝在限位移動板內(nèi)的限位滑動塊，限位移動板靠近第一通槽的一側(cè)設(shè)有供限位滑動塊移動的滑動槽，滑動槽的豎直截面為凸字型結(jié)構(gòu)，限位滑動塊能夠沿著加工臺的長度方向移動，限位滑動塊的設(shè)置能夠滿足對限位板的驅(qū)動作業(yè)，驅(qū)動方式能夠滿足對若干管件的驅(qū)動作業(yè)，使得承料架可以沿著加工臺的長度方向移動，將儲放的管件一一打磨，實現(xiàn)了對管件端部的打磨作業(yè)。

限位滑動塊靠近第一通槽的側(cè)壁上設(shè)有插播塊，插播塊通過定位螺栓[11]能夠活動的安裝在限位滑動塊上，限位滑動塊靠近第一通槽的另一端與承料驅(qū)動部件傳動連接，插播塊的設(shè)置能夠滿足對限位板的插播配合，在限位滑動塊驅(qū)動限位板時起到緩沖，起到延伸作業(yè)空間的作用，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對承料架驅(qū)動作業(yè)。

2.2 承料驅(qū)動部件設(shè)計

如圖6所示，承料驅(qū)動部件包括安裝在支撐板上的驅(qū)動組件、安裝在驅(qū)動組件旁側(cè)的聯(lián)動組件和安裝在聯(lián)動組件與限位滑動塊之間的連桿部，聯(lián)動組件與驅(qū)動組件傳動連接，通過驅(qū)動組件帶動聯(lián)動組件轉(zhuǎn)動，因為聯(lián)動組件與連桿部傳動連接，進而帶動連桿部轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了對整個承料架的驅(qū)動作業(yè)。

結(jié)合圖5和圖6，驅(qū)動組件包括安裝在支撐板頂部的驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的主軸上安裝有第一皮帶輪，聯(lián)動組件包括聯(lián)動機，聯(lián)動機的傳動軸且靠近第一皮帶輪的一端設(shè)有第二皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶連接，連桿部包括第一連桿和第二連桿，第一連桿的一端與限位滑動塊傳動連接，第二連桿的一端與聯(lián)動機遠離第二皮帶輪的傳動軸傳動連接，第一連桿與第二連桿靠近的一端鉸接，通過驅(qū)動電機帶動第一皮帶輪轉(zhuǎn)動，因為第一皮帶輪和第二皮帶輪傳動連接，實現(xiàn)了承料架的驅(qū)動作業(yè)，滿足了對若干管件的驅(qū)動作業(yè)。

圖6 承料驅(qū)動裝置的立體結(jié)構(gòu)

2.3 去毛刺部件設(shè)計

限位承載部件包括安裝在加工臺頂部且位于承料架輸出端處的承載組件、安裝在承載組件上且能夠沿著加工臺的寬度方向移動的承載滑動組件和安裝在加工臺頂部用于驅(qū)動承載滑動組件沿著寬度方向的限位驅(qū)動組件，旋轉(zhuǎn)摩擦部件包括安裝在承載滑動組件上的旋轉(zhuǎn)定位組件和能夠轉(zhuǎn)動的安裝在旋轉(zhuǎn)定位組件上的摩擦組件，通過限位驅(qū)動組件帶動承載滑動組件移動，帶動了旋轉(zhuǎn)定位組件和摩擦組件移動，滿足對管件的端部進行打磨作業(yè)。

圖7所示為加工臺和去毛刺裝置[12]的立體結(jié)構(gòu)示意圖，承載組件包括兩個對稱設(shè)置的第二導(dǎo)軌，每個第二導(dǎo)軌上均設(shè)有若干等間距設(shè)置的螺紋孔，每個第二導(dǎo)軌通過若干螺栓固定安裝在加工臺上，限位驅(qū)動組件設(shè)置在兩個第二導(dǎo)軌之間，兩個第二導(dǎo)軌的設(shè)置能夠滿足對承載滑動組件的安裝作業(yè)，實現(xiàn)了對摩擦組件和旋轉(zhuǎn)定位組件的驅(qū)動作業(yè)。

圖7 加工臺和去毛刺裝置的立體結(jié)構(gòu)

承載滑動組件包括同時安裝在兩個第二導(dǎo)軌上的承載滑動板，承載滑動板的底部的兩端分別承載卡接塊，兩個承載卡接塊與兩個第二導(dǎo)軌一一對應(yīng)，使得承載滑動板及安裝在上面的組件可以穩(wěn)定作業(yè)，不會發(fā)生松動，移位的現(xiàn)象，兩個承載卡接塊和兩個第二導(dǎo)軌的配合，實現(xiàn)了對承載滑動板的安裝作業(yè)，對旋轉(zhuǎn)定位組件和摩擦組件均實現(xiàn)安裝作業(yè)。

如圖8所示，旋轉(zhuǎn)定位組件包括安裝在承載滑動板頂部的承載圓柱和安裝在承載圓柱上的鉸接部，承載圓柱呈豎直狀態(tài)安裝在承載滑動板上，鉸接部為圓柱形結(jié)構(gòu)的鉸接塊，鉸接塊上設(shè)有呈矩形結(jié)構(gòu)的第三通槽，第三通槽沿著加工臺的寬度方向貫穿鉸接塊，鉸接塊的設(shè)置能夠滿足對摩擦組件的安裝作業(yè)。

圖8 去毛刺裝置的立體結(jié)構(gòu)一

如圖9所示，摩擦組件包括承載彎柱[13]和安裝在承載彎柱端部的摩擦塊，承載彎柱能夠轉(zhuǎn)動安裝在鉸接塊內(nèi)，承載彎柱呈倒置的L 型結(jié)構(gòu)，摩擦塊靠近承載彎柱的端部與承載彎柱鉸接，承載彎柱的設(shè)置能夠滿足對摩擦塊的安裝作業(yè)。

圖9 去毛刺裝置的立體結(jié)構(gòu)二

3 結(jié)束語

本文提出的一種全自動管件打磨機器人，當需要對待加工的管件進行加工作業(yè)時，首先通過承料驅(qū)動部件驅(qū)動間隙移料部件在加工臺內(nèi)移動，實現(xiàn)對承料架的移動作業(yè)，將若干待加工的管件依次向前傳送，再通過限位承載部件在加工臺上的位置發(fā)生改變，再通過旋轉(zhuǎn)摩擦部件實現(xiàn)對待加工的管件進行端部打磨作業(yè)，通過自動化的移料和打磨作業(yè)，節(jié)省了作業(yè)時間，相對于人工的打磨，大大提高了作業(yè)的效率，也減少了人力和物力的浪費。