以板材加工過程中用于板材搬運的機械手為研究對象，分析了該機械手的本體結(jié)構(gòu)。機械手采用氣動真空吸盤作為機械手的末端執(zhí)行器，有4 個自由度。詳細闡述了其末端執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計計算。實踐證明，該機械手能完成滿足生產(chǎn)線的要求。

0、引言

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)線的自動化水平須大力提高，特別是在高溫、重載、大噪聲等惡劣的工作環(huán)境中，人工操作勞動強度大，易發(fā)生安全事故^[1]。某公司的板材生產(chǎn)線上，板材經(jīng)熔化后壓鑄成形，再進行粗切割， 切割后需把板材搬運到指定框架中。因工件重、形狀大，所以人工搬運效率低，所需員工多，且易發(fā)生碰撞，影響板材的后續(xù)加工。所設(shè)計的工業(yè)機械手采用真空吸盤作為機械手的末端執(zhí)行器， 利用真空吸附方式抓取工件，可自動搬運板材^[2]。

1、機械手結(jié)構(gòu)

1.1、結(jié)構(gòu)要求

　　該機械手的作用是將粗切割后的板材(約10kg)從工作臺上搬運到堆放架內(nèi)，要求疊放有序，不能碰撞。結(jié)構(gòu)上要求能實現(xiàn)X、Y、Z 三個方向的移動，且Z 軸能旋轉(zhuǎn)，結(jié)合實際生產(chǎn)線情況，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為機械手要達到以下要求^[3]：

　　(1)分升降機構(gòu)、橫移機構(gòu)、抓放機構(gòu)三個機構(gòu);

　　(2)升降機構(gòu)設(shè)計：直線升降，采用滾珠絲杠傳動，用直線光桿導(dǎo)向，上下升降速度最快50mm/s，升降行程范圍0～1 800mm，最大承載力1 000N;

　　(3)橫移機構(gòu)設(shè)計：X、Y 兩個方向橫移，采用滾珠絲杠和同步帶傳動，移動速度最大50mm/s，移動行程范圍0～3 500mm，最大承載力1 000N;

　　(4)抓放機構(gòu)設(shè)計：采用氣動方式進行工件的抓放，總最大吸附力250N。

1.2、總體結(jié)構(gòu)

　　該工業(yè)機械手由支架、手臂和手爪組成，4 個自由度分別為：X、Y、Z 三個方向的移動和Z 軸旋轉(zhuǎn)，圖1 為設(shè)計的機械手總體結(jié)構(gòu)圖�？傮w設(shè)計思想為：X、Y、Z 三個方向采用伺服電機驅(qū)動，通過絲杠、同步帶、輪系等機械機構(gòu)進行間接傳動，末端執(zhí)行器為氣動吸盤手爪，可通過改變吸盤位置實現(xiàn)不同形狀工件的抓放。

圖1 機械手示意圖

1.3、傳動過程

　　以把工件從位置1 搬運到位置2 為例， 機械手從原點位置開始，X 軸伺服電機運轉(zhuǎn)帶動裝在輸出軸上的同步帶一起旋轉(zhuǎn)， 經(jīng)同步帶傳動帶動與X 軸平行的軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機械手工作平臺在X 軸方向移動，緊接著Y 軸伺服電機運轉(zhuǎn)帶動機械手平臺在Y 軸方向移動， 然后Z 軸伺服電機運轉(zhuǎn)帶動手爪下移從位置1 抓取工件;手爪上升沿X 方向后退，Y 軸伺服電機運轉(zhuǎn)帶動機械手平臺在Y 軸方向移動到達位置2 上方，Z 軸伺服電機運轉(zhuǎn)帶動手爪下移放工件^[4]。

1.4、機械手參數(shù)

　　表1 為氣動吸盤式工業(yè)機械手的參數(shù)。

表1 機械手參數(shù)

2、吸附裝置設(shè)計

2.1、真空吸盤原理

　　如圖2 所示， 首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(如真空發(fā)生器等)接通，然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸，起動真空設(shè)備抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負氣壓，從而將待提升物吸牢，即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時，平穩(wěn)地充氣進真空吸盤內(nèi)，使真空吸盤內(nèi)由負氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓， 真空吸盤就脫離待提升物， 從而完成了提升搬送重物的任務(wù)^[5]。

圖2 吸盤工作原理圖

2.2、真空吸盤直徑計算

　　被搬運物體的重量決定吸盤的大小和數(shù)量， 根據(jù)生產(chǎn)線作業(yè)要求，吸盤工作時為水平吊狀態(tài)，吸盤直徑參數(shù)的計算公式如下^[6]：

　　式中D - 吸盤的理論直徑，mm；m - 需吸工件質(zhì)量，kg；t - 安全系數(shù)(水平吊t≥4，垂直吊t≥8)；p - 吸盤內(nèi)的真空度，MPa；n - 吸盤數(shù)量。

　　生產(chǎn)線上需搬運工件的重約100N， 吸盤工作時為水平吊，t 取4，真空度p 取0.06MPa，如單個吸盤吸附n取1，代入式(1)中計算，得：

D≥92.16mm

　　因為實際可選擇的直徑尺寸范圍在50mm 以內(nèi)，考慮實際工件的形狀，在滿足需要的條件下，吸盤尺寸應(yīng)盡可能小，所以增加吸盤數(shù)量n，取n=16，代入式(1)中計算，得：

D′≥23.04mm

　　結(jié)合吸盤直徑標(biāo)準(zhǔn)取值表，取D=25mm。

2.3、真空吸盤提升力計算

　　根據(jù)吸盤提升力的計算公式：

　　式中W - 吸盤提升力，N；T - 安全系數(shù)(在此取T 為1)；S - 吸盤面積，cm2。

　　以規(guī)格為D =10mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm 為例， 根據(jù)公式(2) 分別計算出它們在-400mmHg、-500mmHg 和-600mmHg 真空度下的提升力，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 吸盤水平提升力(N)

　　實際使用時，[W]=WT(3)式中[W]為許用提升力，根據(jù)經(jīng)驗值，安全系數(shù)一般取2.5，現(xiàn)在取D=25mm 的吸盤進行許用提升力的檢驗計算，在真空度比較低的情況下(-400mmHg)，將表1中的數(shù)值26.7N 代入式(3)，計算得[W]=10.68N。機械手共16 個吸盤，總許用提升力為170.88N>100N，由此可得，在保證安全的情況下，設(shè)計計算所得數(shù)據(jù)能確保提升待搬運工件。

3、結(jié)束語

　　通過對工業(yè)機械手本體機構(gòu)的關(guān)鍵零部件進行設(shè)計計算， 并將該氣動吸盤式工業(yè)機械手在實際生產(chǎn)線上進行調(diào)試運行后^[7]，證實機械手能對工件進行自動抓放動作，且在抓放過程中不發(fā)生碰撞，實踐證明使用該機械手后，企業(yè)現(xiàn)場工作人員數(shù)量降低了50%，在降低了勞動力成本的同時提高了生產(chǎn)率。

參考文獻

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