磚坯碼垛機械手爪氣動系統設計

潘志方,林　飛（.福建省南平鋁業有限公司,福建　南平　353000；.江西理工大學　電氣工程與自動化學院,江西　贛州　34000）

磚坯碼垛機械手爪氣動系統設計

潘志方1,林飛2
（1.福建省南平鋁業有限公司,福建南平353000；2.江西理工大學電氣工程與自動化學院,江西贛州341000）

摘要：對現有的磚坯碼垛工藝進行了研究，設計了一種機器人碼坯工藝，研發了相應的磚坯碼垛機械手爪及其氣動系統，重點闡述了該機械手爪的工作過程及其氣動系統的原理，根據實際工況要求，對關鍵氣動元器件進行了計算選型，并對該機械手爪進行了現場實驗驗證，結果表明，設計的機械手爪及其氣動系統能有效的滿足工作要求。

關鍵詞：碼垛；機械手；氣動系統；設計計算

0　引言

磚坯碼垛工藝在磚瓦生產過程中十分重要，直接影響著磚塊燒結過程中的能耗、質量、產量以及效率[1,2]。目前，磚坯碼垛工藝主要有人工碼坯、碼坯機碼坯和機器人碼坯三類[3,4],人工碼坯勞動強度大，碼坯質量受工人技術水平影響，且工作環境惡劣，在勞動力日益短缺的趨勢下，人工碼坯將逐步被淘汰；碼坯機碼坯克服了上述不足，具有碼坯效率高，一次碼坯量大，部分碼坯機可一次完成一層磚坯矩陣的碼放，但是，隨著建筑形式的多樣化發展，市場對磚瓦形式的需求日益增多，除標磚外，還有各種空心磚、多孔磚等新型建材，碼坯機機構龐雜、占地面積大[5]，為了適應不同的磚坯形式，需大量更換碼坯機的機械零部件，而當磚坯尺寸相差過大時，碼坯機則無法適應，此外，碼坯機還存在零件繁多，故障概率高、維修量大等缺點；機器人碼坯將碼坯機與機器人的優點相結合，只需調整或者更換機械手爪即可適應不用的磚型，具有靈活性好、故障率低、工作效率高等優點，是未來發展的趨勢。

1　磚坯碼垛機械手爪結構及工作原理

機器人碼坯工藝如圖1，將磚坯碼垛機械手爪安裝在工業機器人末端的連接法蘭上構成磚坯碼垛機器人[6]，碼坯機器人將待碼的磚坯（如圖2）按規則逐層碼放至窯車上，其工作過程如圖3。

設計機械手爪結構如圖4，四個氣缸兩兩相對安裝，每對氣缸之間連接有對中連桿，用于保證兩氣缸的伸縮量一致，其工作過程主要包括抓坯、卸坯、復位三個過程。

抓坯過程：機械手爪的固定掛板、浮動掛板分別插入待碼磚坯的縫隙中，由氣缸驅動兩側夾板帶動磚坯同時向中間運動，左側一列磚坯與固定掛板接觸后被加緊，右側一列磚坯與浮動掛板接觸后繼續被推向左運動直至浮動掛板帶動中間一列磚坯向左運動與固定掛板接觸，至此將三列磚坯夾緊。

卸坯過程：四個氣缸同時泄氣，機械手爪垂直抬升，由于泄氣后手爪的加緊力較小，磚坯受重力作用自行與機械手爪分離。復位過程：四個氣缸同時伸出，由限位裝置及復位彈簧等保證氣缸伸出后兩側夾板及浮動掛板回到原位置。

2　氣動回路設計

根據磚坯碼垛機械手爪的工作要求，考慮工作效率、可靠性、維護等因素[5]，設計氣動回路如圖5。氣路控制過程包括抓坯、卸坯、復位、保護四部分。

復位：接通氣源，電磁閥c1～c4接通，氣缸伸出至機械極限位置。

抓坯：電磁閥c1～c4失電，氣缸收縮夾緊磚坯，當管路壓力高于壓力繼電器5上臨界值時，機械手爪等待0.5s后垂直抬升。

1、氣源，2、截止閥，3、泄氣閥，4、儲氣罐，5、氣動三聯件，6、壓力繼電器，7、氣缸（a1～a4），8、單向節流閥（b1～b8），9、電磁閥（c1～c5），10、消聲器（d1～d9）

卸坯：電磁閥c1～c4保持失電狀態不變，電磁閥c5得電后切換，此時氣源被切斷，且各氣缸泄氣，機械手爪夾板松弛，當管路壓力低于壓力繼電器5下臨界值時，機械手爪等待0.5s后垂直抬升。

保護：突然斷電時，手動關閉截止閥2，在機械手爪正下方放置托盤，手動調節泄氣閥3，將氣缸內氣體泄去，隨著氣壓不足，磚坯自由下落至托盤，在此過程中，儲氣罐可為氣路持續提供一段時間的高壓氣體，而各氣缸失電狀態為縮回狀態，此時若機械手爪上抓有磚坯，則在失電狀態下可持續抓取一段時間直至將磚坯全部被人工卸下。

3　氣動元件選型計算

3.1氣缸選型計算

待碼的磚坯矩陣縱向間隙為d1=25mm，如圖2，固定掛板和浮動掛板厚度均為δ=5mm，標磚密度約為ρ=1.7g/cm3，尺寸如圖6，夾持面為A=53mmx115mm面，單次抓取的磚坯數量n=60塊，濕坯與鋼（表面粗糙度Ra6.3）的最小摩擦因素約為f=0.3（經驗值），機械手爪垂直抬升最大加速度為a=6m/s2，工作氣壓為P=0.6Mpa，濕坯許用應力約為0.08Mpa（經驗值）。

氣缸所需行程：

S≥（2d1-δ）+2d2=80mm；

單個氣缸所需拉力：

F＞[nρV（g+a）]/（4f）=1965N；

其中d2為機械手爪插入待碼磚坯矩陣后夾板與外側磚坯的距離，取d2=20mm，V為標磚的體積，g為重力加速度。

根據某公司提供的氣缸規格，選取缸徑為D=80mm，活塞桿外徑為d=25mm，行程為100mm的雙作用單桿氣缸，該氣缸在0.6Mpa時，拉力為Fe=2721.6N，在0.5Mpa時，Fe=2268.0N，在0.4Mpa時，Fe=1814.4N。

作用在單塊磚坯上的應力σ=Fe/（15A）=0.029Mpa＜0.08Mpa，故滿足要求。

3.2儲氣罐選型計算

該儲氣罐主要以消除壓力波動為目的，且在外界供氣出現問題時能是該系統的繼續工作一段時間，保證系統安全[7]。耗氣量的計算：

單個氣缸活塞桿縮回時的耗氣量Q1：

為氣缸的伸縮速度為200mm/s。

故氣缸總耗氣量為Q=4Q1=864L/min，已知，上述氣源供給壓力P1=0.8Mpa，氣缸最低工作氣壓為P2=0.5Mpa，故所需氣罐容積VQ有：VQ≥P0Qt/[60（P1-P2）]=4.8t（L），

其中P0為大氣壓強，t為斷電時氣罐能保證氣動系統正常工作的持續時間。

工人聽到斷電報警到關閉截止閥2的所需時間至少為20s，為此，設計斷電后保持時間為60s，故V=288L，故選取儲氣罐容量為300L。

4　實驗結果

本實驗主要為驗證所設計的磚坯碼垛機械手爪工作原理的可行性及可靠性。通過現場調節單向節流閥使氣缸在伸縮速度和平穩性均達到實驗最優，再控制碼垛機器人工作。通過實驗驗證，該磚坯碼垛機械手爪抓取可靠，斷電后未關閉截止閥2仍能繼續夾緊52s左右（可能是局部微量漏氣造成），斷電持續至20s時關閉截止閥3后則能繼續夾緊659s左右，人工卸坯時間充足，說明該氣動系統能滿足要求。圖7a為成功抓取現場，圖7b為該磚坯碼垛機器人碼好的磚坯。

5　結論

介紹了機器人碼坯的工藝過程，以標磚為例設計了相應的磚坯碼垛機械手爪及其氣動系統，并介紹了該氣動系統的工作過程，同時，對氣動系統中關鍵的氣動元器件進行了計算選型，最后，對該磚坯碼垛機械手爪進行了現場實驗，驗證了該機械手爪可以滿足現場工作要求。

參考文獻：

[1]向守兵,蘇光大,陳健生等.基于機器視覺的碼坯異常檢測與識別[J].光學學報,2011(07):184-190.

[2]賈相福.談談碼坯方式的選擇[J].磚瓦,2010(03):16-17.

[3]時洪文.自動碼坯機與機器人的選擇[J].磚瓦世界,2012, (01):33-34.

[4]王海臣.自動碼坯機在燒結磚廠的應用[J].磚瓦世界,2008, (10):75-76.

[5]劉星.高精度全自動碼坯機的研究與設計[D].南京理工大學, 2014.

[6]楊傳民,田少龍,楊錳等.碼垛機器人末端執行器的設計[J].包裝工程,2014(03):60-63.

[7]SMC（中國）有限公司.現代實用氣動技術[M].機械工業出版社, 2004:72-73.

基金項目：江西理工大學校級課題，NSFJ2015-G18

作者簡介：潘志方(1988-),男，江西宜春人，本科，機械助理工程師，主要研究方向：機械設計、設備維護。