鋼筋網焊機下料機械手設計

張佃平

（寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021）

鋼筋網焊機下料機械手設計

張佃平

（寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021）

鋼筋網焊接過程中下料大多采取人工碼垛，耗費工時、工人勞動強度大、碼垛時整齊度不夠，并且在碼垛過程中容易對鋼筋網搭接焊點造成一定的損害。針對鋼筋網的下料和碼垛，設計了一套機械手，可以實現焊接鋼筋網的自動抓取下料，并且能夠按照生產要求實現多位置碼垛。

鋼筋網；焊機；機械手；下料

0 前言

焊接鋼筋網是通過專用焊接設備，將縱向和橫向鋼筋分別以一定間距垂直疊交排列焊接在一起的一種代替人工制作、綁扎的新型、高效、優質的鋼筋混凝土結構的建筑用材。焊接鋼筋網具有節省鋼材、網格尺寸及外形準確、便于實現工廠化生產，易于現場安裝和施工等特點；焊接鋼筋網相比于人工捆扎可以增加連接力，剛性好，抗沖擊，抗松散變形；安全美觀，消耗低，價格低[1]。所以焊接鋼筋網越來越多的應用在工程施工中。

鋼筋網焊接過程中，鋼筋網的下料一般由人工完成下料和碼垛作業，成本高且效率低，容易損壞搭接焊點以及易出現意外工傷事故[2]。在有些鋼筋網焊接設備上添加了鋼筋網的自動下料裝置，但主要以定點落料為主[3]，存在的主要問題有：（1）落料高度不能調整，落料過程中容易損壞搭接焊點；（2）只能實現單工位落料碼垛，影響了生產的連續性。

本研究針對鋼筋網焊接過程中鋼筋網的下料和碼垛自動化的需求要求以及現有設備存在的問題，設計了一套機械手，實現焊接鋼筋網的自動抓取下料，并且能夠按照生產要求實現多位置碼垛。

1 總體設計

1.1 機械手總體結構設計

機械手主要實現的功能是：（1）鋼筋網的自動抓取；（2）按照預定的碼垛位置，完成鋼筋網的提升、轉運、下降以及碼垛功能。根據上述功能要求，設計的機械手主要包括以下部分：鋼筋網抓取機構、提升機構、旋轉機構以及機械手整體升降機構。機械手三維示意如圖1所示。

圖1 機械手三維模型示意

1.2 機械手工作原理

機械手主要完成鋼筋網的抓取，工作臺面一定高度的提升，抓取機構在懸臂的帶動下帶著鋼筋網整體旋轉，到達指定位置后，鋼筋網隨著旋轉臂的下降而下降，到達設定位置后停止，抓取機構放開鋼筋網完成一張鋼筋網的下料和碼垛過程。需要說明的是，旋轉臂的下降高度隨著鋼筋網垛高的增加而調整，以防鋼筋網自由下降損壞鋼筋網，并保證垛位的齊整，旋轉臂下降后待碼垛鋼筋網與垛面的高度差小于10 cm。機械手的工作流程如圖2所示。

圖2 機械手下料及碼垛工作流程

2 關鍵部件設計

2.1 機械手抓手的設計

2.1.1抓手的總體設計

由于所設計的機械手抓取質量在60 kg以內，為了實現抓手尺寸緊湊、質量輕、控制方便，抓手動力擬采用氣壓傳動。鋼筋網由網格化組成，在抓手設計上采用類人手型的設計，設計四指型實現對鋼筋網的抓取，如圖3所示。

圖3 機械手抓手三維模型示意

2.1.2抓手的力學分析

根據抓手抓取鋼筋網時的工作情況，以及其工作過程中所受到的力，建立的力學模型如圖4所示。

1—手指；2—銷軸；3—吊桿圖4 機械手抓手力學模型示意

在吊桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點，F1和F2的延長線于A及B[4]。

式中a為手指的回轉支點到對稱中心的距離（單位：mm）；α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。

由分析可知，當驅動力F一定時，α角增大，則握力FN也隨之增大，但α角過大會導致拉桿行程過大和手部結構增大，因此α=30°～40°。

2.2 整體提升機構的設計

整體提升機構是機械手的主要支撐和運動部件，其作用是支撐腕部和手部（包括鋼筋網），并帶動它們作空間運動。此機構主要包括回轉運動和升降運動。為了減輕機構的質量，使其運動更靈活，臂部采用輕質、高強度的鋁合金材料；為了保證鋼筋網碼垛高度的精確，臂部的升降采用齒輪齒條機構。整體提升機構示意如圖5所示。

3 結論

焊接鋼筋網下料機械手能夠實現鋼筋網的自動下料和碼垛，改變了原有的鋼筋網焊機采用人工完成鋼筋網下料和碼垛的過程，極大提高了網焊機的工作效率，減輕了工人的勞動強度。同時，機械手不僅減少了鋼筋網碼垛時的損壞，還能實現多位置碼垛。

圖5 整體提升機構三維示意

Page 38

理和形態學變換之后的圖像提取特征點，計算出圖像中心線和邊緣線的走向和位置。

4.3 視覺檢測系統軟件編程

Visual C++6.0提供Active X控件MSComm進行串行通信編程。機器人控制端需要使用ABB公司開發的RAPID語言編寫串行通信程序。

圖像處理軟件的主程序框架如圖11所示，機器人端程序框架如圖12所示。

圖11 主程序流程

圖12 機器人程序流程

5 結論

設計的管樁端板機器人焊接系統能夠實現端板毛坯從上料、供料、焊接的高度自動化。機器視覺焊縫檢測系統解決了因焊縫寬度不均勻、走向不確定而影響焊接效果的問題，使得整個機器人焊接系統更加智能化。雙工位供料的設計，保證了管樁端板連續、高效地焊接。同時，多種安全防護、報警、監控裝置能夠確保焊接系統持續、安全、高效地運行。

[1]張英華.焊接機器人工作站的設計[J].電焊機，2014，44（8）：104-106.

[2]Paul Drews，Gunther Starke.WeldingintheCentuiy of InformationTechnology[J].WeldingintheWorld，1994（34）：1-20.

[3]Drews P.AutomaticWeldingSystem[J].Fabricator，1998，6（3）：45-48.

[4]張麗燦.一種經濟的雙聯體H型機器人焊接站系統設計[J].電焊機，2015，45（5）：122-125.

[5]秦緒平，張萬忠.西門子S7系列可編程控制器應用技術[M].北京：化學工業出版社，2011：444-445.

[6]Yamane S.，Yamamoto H.，Kaneko Y.Sensing and seam tracking of welding line in backing less V groove welding[J]. ScienceandTechnologyofWelding and Joining，2007，11（5）：586-592.

[7]A De，DParle.Realtimeseamtracking syetem for automated fusion arcwelding[J].Science and TechnologyofWeldingand Joing，2003，8（5）：340-346.

[8]DUXin，ZHAOXiaoguang，RobotTracking by Color Image[J]. Geo-spatial Information Science，2007，10（1）：33-36.

參考文獻：

[1]封政華，華函源.鋼筋網自動焊接成型設備的設計與制造[J].電焊機，2000，30（4）：20-23

[2]于會敏，李躍.網焊機專用機械手的設計[J].遼寧科技學院學報，2015（1）：25-27.

[3]張穎，來利根.全自動電焊機及其在煤礦的應用[J].礦山機械，2008，36（11）：4-6.

[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004：152-360.

Design of welder manipulator for laying off steel fabric

ZHANG Dianping
（School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

There are a lot ofproblems when workers layoffthe steelfabrics in the process ofthe steelfabric welding，such as consumingmore work time and labor intensity,insufficient uniformityofstackingand damage ofweldingspots on steelfabric when stacking.For the laying-off andstacking,asetofmanipulatorisdesignedtorealizeautomaticlaying-offandmulti-positionstackingaccordingtoproductionrequirement.

steel fabric；welder；manipulator；laying off

TG439.9

B

1001－2303（2016）06－0047-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.09

2015-12-22

張佃平（1981—），男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事機械制造和機械設計的教學和研究工作。