六軸機械手在打印耗材業的應用

全朱喬

（珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東珠海 519060）

六軸機械手在打印耗材業的應用

全朱喬

（珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東珠海 519060）

自動化生產在許多制造業已廣泛應用，而當前打印耗材的生產仍處于勞動力密集型的運作，面對越來越高的人工成本，頻繁的人員流失、高品質的產品要求以及交貨期縮短等方面的挑戰，機械手或機器人的應用已漸趨必然。介紹了六軸機械手的設計與制造方法及其在打印耗材業中的應用情況，機械手或機器人運轉、操作的一致性既可以確保產品的品質要求，也能適應各種惡劣的環境。現今不斷發展的設計理念、模具技術、加工水平也為打印耗材業機械手或機器人的出現提供了保障。

機械手；打印耗材；硒鼓；安全；效率

打印耗材業的現狀及工藝流程，由于各種原因，色帶與噴墨耗材的生產、使用已逐步萎縮，現今耗材市場以激光產品為主，而制造再生硒鼓所消耗能源只是制造全新產品的1/20，所以回收再加工是現今生產企業的工作要點。

現今企業的基本生產狀況如表1。

表1 生產現狀

為了保證打印質量，避免不兼容碳粉間的竄色，回收的粉倉必須經過徹底的清潔。通常的清潔方法有正壓法和負壓法。正壓法即采用正壓力的壓縮氣體將粉體吹凈；負壓法是利用抽負壓設備將粉體吸走。這其中值得關注的是激光碳粉是一種嚴重污染源，其顆粒直徑約6～11μm，在對硒鼓的清潔和灌粉的工序中若得不到很好的控制，既影響到產品質量，也會對工人的工作環境造成極大的污染。

設想將清潔工序智能化：首先著手開始從手工操作進入智能機械手的準備工作，將現今生產工藝進行機械化前期的技術鋪墊。因為硒鼓中的粉盒塑料件并不是統一的長方體或規范的圓曲面，所以針對不同形狀的產品、不同零部件要完成不同的定位和夾緊結構，有了不同的定位和夾緊結構的靈活轉換，實現智能化機械手的操作也就成為可能。然后設計出六軸機械手取代人工，將粉倉或廢粉倉送入倒粉器內倒粉，再用氣槍的正壓壓縮氣將余粉清除，既可以提高生產效率，也避免污染物對人體的傷害。

1 六軸機械手設計與要求

機械臂安裝在一個可回轉360°的支座上，在生產線上可自由抓取和易位，大臂連接兩節小臂，小臂末端的手腕可上下俯仰，手腕延伸至可開閉的夾手，夾手正反旋轉0～90°，可夾取尺寸為50～60 mm的粉倉或廢粉倉，工件長度260～280 mm，重量約為210～240 g。大轉臂必須在2秒鐘內完成送料。

2 功能分析

系統共有6軸，分別是夾緊、手腕的轉動、俯仰（1）、俯仰（2）、俯仰（3）及基座的回轉。

夾緊結構：根據粉倉和廢粉倉的形狀特征，使用雙手指夾緊，并保證夾口行程達30 mm，因夾力小，可采用氣動驅動式。

手腕結構：手指夾緊可按正反方向旋轉90°，手腕的功能是轉動夾緊結構，避開干涉。粉倉與廢粉倉在行進過程中必須保持灌粉口的平行，以防傾斜溢出碳粉，所以兩節小臂要配以上下俯仰。

基座與六軸機械手可360°回轉。

3 各零部件設計制作及說明

3.1 底座組件設計及計算（如圖1）

（1）步進電機選型

選用步進電機+諧波減速器（PK245-10A-C105），其電機靜扭矩為0.078 N·m，減 速 比 i=100， 軸 Φ10mm ×22mm， 鍵 槽2X2--16，步進電機安裝尺寸為31X31 4-M4。

1）單項步進電機必要脈沖數和啟動脈沖數：

根據基座與六軸機械手在1秒內可360°回轉，單項步進電機1.8°/步。

圖1 底座組件圖

必要脈沖數=i·360/1.8=20 000脈沖。

如果采用自啟動方式驅動2秒鐘內完成回轉，則驅動脈沖速度應為：

20000脈沖/2秒=10 kHz。

但自啟動速度不會是10 kHz，應該采用加/減速度運行方式來驅動，如果采用加/減速時間設置為定位時間25%，啟動脈沖速度為500 Hz，則計算如下：

驅 動 脈 沖 速 度 =（10000-500×0.25）/（1-0.25）=13.2 kHz。

2）驅動扭矩計算

工件重量240 g，機械抓手最長為600 mm，機械抓手自重為1 200 g；

驅動扭矩TL=0.24×9.8×0.6+1.2×9.8×0.3= 4.94N·m=50.4kgfcm＜80000 gfcm。

計算中難以得到準確的慣性慣量，因此在實際計算負載時，存在自啟動或需要迅速加/減速的情況，所以在此只能是估算值。

步進電機+諧波減速器（PK245-10A-C105） + 驅 動 器（CY-KZ128-A8L）；單項步進電機必要脈沖數和啟動脈沖數為10 kHz和13.2 kHz可滿足要求；步進電機靜扭矩為0.078 N·m可滿足扭矩要求；且適用于多粉塵環境，可直接連接工作機構，保證工作機構的工作質量和可靠性，其結構簡單，尺寸小，重量輕，使用壽命長，維護方便等等。

選用諧波減速箱為外購件，減速箱不做計算，其傳動比i=100。

（2）基座

因為制作此設備一般為單件，使用A3鋼材料便于加工，選材A3鋼，考慮坯料加工余量選取Φ190×190（mm×mm）；為了基座與工作臺面安裝車出Φ180×12（mm×mm）法蘭面，在法蘭面Φ150 mm的圓均布鉆出4-Φ8.5孔；內孔加工出Φ100×125（mm×mm）步進電機安裝位，調頭加工軸承位61910為Φ72H8×20 mm和Φ72 mm孔用擋圈Φ74.5mm×2.7mm、Φ68mm× 27mm聯軸器避位，余下位置加工出步進電機安裝孔和電機軸避位孔。基座承受較大的軸向力，在軸端增加壓力軸承51118。

（3）聯軸器的選擇

由于取挖掘機較輕，速度不高，傳動效率較高，故選用剛性聯軸器，通過文獻[2]查表7-9，取挖掘機聯軸器的工作情況系數KA=2.3，故有：

計算扭矩Tca=KA·Th=2.3×1.8=4.14 N·m。

通過文獻[2]查表7-2 GB/T843-2003，選安全扭矩Th=25 N·m，故Tca＜Th，滿足要求尺寸為小端Φ28 mm×20 mm，大端Φ46 mm×8 mm，內孔Φ10mm×36mm和2×2-36的平鍵槽。

（4）滾動軸承校驗

考慮碳粉的粉塵惡劣環境，主要影響軸承壽命不是軸承運行破壞，而是惡劣環境的碳粉結塊造成軸承卡死而更換，在此不進行滾動軸承校核；潤滑更容易造成碳粉粘結，而破壞軸承滾動，此次不采用潤滑。

（5）鍵選擇和強度校核

根據[2]表查得鍵2X2-16 許用應力［δp］= 110N/mm2

L=16-2=14，K=0.5×2=1，

T1＝3 kg，l＝0.6 m，

δp＝2·T1·l／（K·L·d）＝45 MPa＜110 MPa，

此鍵槽可以滿足強度要求。

3.2 抓手組件設計及計算（如圖2）

（1）粉盒夾緊力

選用氣缸旋轉夾緊氣缸MKB12-30LZ和MKB12-30RZ。

F總工夾緊=2·F工夾緊=2×0.45MPa·Pi·0.012×0.012/ 4=139N＞0.21×9.8N。

（2）粉盒重量210 g，氣缸80 g，夾口117 g，氣缸上螺釘承受徑向力F徑=210/8=26.25 N。

圖2 抓手組件圖

取惡劣環境F徑=210N，查表6-2-20，M4，Fmin=7 020 N，查表1.1-19 f=0.2[1]。

F承=7020×0.2×3=4212＞210=F徑。

總裝圖如圖3。

4 控制系統設計

綜合各需求特征并經過計算選用了步進電機+旋轉編碼器+PLC；基座采用步進電機和接近開關來控制：基座上安裝2個可調位置的接近開關，旋轉基座帶觸碰接近開關平臺，平臺觸碰到接近開關時，電機停止和電機換向，PLC輸出信號，步進電機執行，由旋轉編碼器終端反饋信息來控制旋轉角度（俯仰動作同理控制執行）；手腕機構由小步進電機和旋轉編碼器組成，由PLC輸出信號電機按一定速度轉動，編碼器反饋信號位置，停止或下一動作開始；手指機構由電磁閥和磁性開關來執行動作，由二位五通電磁閥控制手指氣缸，電磁閥在松開位時，手指平放如圖3，電磁閥夾緊位時LZ轉90°同時RZ轉-90°，然后將粉盒夾緊；控制過程：拆盒工位的感應器感知粉倉或廢粉倉，六軸機械手轉動至物料位，擺動機械臂靠近物料，轉出手指夾夾緊物料，轉動機械臂至倒粉器的方向，調整位置至倒粉器內的定位工裝，返回至200～300 mm位置，倒粉器完成動作后，機械臂取出粉倉或廢粉倉送至生產線完成后面的組裝工序[1-3]。

圖3 總裝圖

5 結束語

設計過程中，曾猶豫過是否將這只“手”弄得“花哨”一些，但最終還是堅定了好的設計必須以簡約、實用、廉價為最高標準的理念。此機構的六軸機械手可用于打印耗材業中最惡劣的操作環境，并稍加改動后也可推廣使用于灌粉的裝配工藝，其他的生產工位直接可以采用微小型機械手來取代人工操作。機械手或機器人是當前打印耗材業值得研究、開發運用的生產力，相信也必將成為企業不遠的未來。

［1］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.8.

［2］曹國軍.噴漿機械手軌跡控制研究［J］.機電工程技術，2013（1）：45-48.

［3］傅燕鳴.機械設計課程設計手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2013.

The Application of Six Axis Manipulator on Printing Consumables Industry

QUAN Zhu-qiao
（Print-Rite·Unicorn Image Products Co.，Ltd，Zhuhai519060，China）

Automated production in many manufacturing has existed for a long time，but the current printing consumables production is still in the labor-intensive operation，in the face of rising labor costs，frequent staff turnover，high quality products and delivery time shorten the challenges，such as manipulator or the use of robots has become inevitable.Robots or robot motion and the consistency of operation can ensure the quality of the product already， also can adapt to the harsh environment.Nowadays the design concept of continuous development，mould technology， the level of processing provide for the emergence of the printing consumables industry robots or robot.

manipulator；printing consumables；cartridge；safety；efficiency

TP241

B

1009－9492(2014)03－0047－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.014

全朱喬，男，1969年生，廣東湛江人，大學本科，工程師。研究領域：機械裝備及自動化。已發表論文1篇。

(編輯：向 飛)

2013－09－29