注塑機專用取件機械手結構設計

李衛民， 華雷

（泰州職業技術學院，江蘇 泰州225300）

0 引言

取件機械手能使流水線生產更加高效化、自動化，它作為自動化生產用具，可以代替人們的體力勞動，大大提高了注塑成型機的生產效率，且其生產環境安全，產品質量穩定。縱觀近年來國內從事塑件取件機械手生產的企業，數量十分稀少，且獨創性弱，過分依賴仿制。而大量的產品都來自于他國進口，但是其設計思路都較為西方化，不適合中國人的操作習慣。因此我們有必要設計并生產出一種高效率、低成本、性能穩定的的塑件專用取件機械手[1-3]。

1 設計內容

當一個新的注塑品完成后，會被機器自動推送到傳送帶上，機械手就是不斷地從傳送帶上撿起塑件，并擺放到指定的塑件堆放區。設計的機械手（如圖1）采用氣壓驅動，擁有5個運動單元，采用氣缸的形式使各個運動單元按照設計要求執行運動。此次機械手的設計重點是完成對塑件取件機械手的結構設計。

圖1 機械手

2 機械手結構方案設計

設計的機械手是專門針對注塑機的，因此機械手的尺寸、運動行程要與注塑機相匹配，并且在工作上也需要滿足注塑機的工作進度。注塑機的工作節奏比較快，完成一個制品的速度很快，那就需要機械手能夠快速并精確地去抓取塑件，然后需要順序地將塑件放置到對應的位置，同時迅速地返回，整個時間要與注塑機出一個制品的單位時間相比配。注塑機的形狀、尺寸也是設計專用機械手所需要考慮的，一是保證機械手有足夠的運作空間；二是使機械手的設計更具有專用性，更有效率[4-5]。

1）坐標型式與自由度選擇。設計的機械手需要實現上升下降、前后移動、零件松放、手部回轉。為了節省空間，減短運動行程，增加了一個手臂來回擺動的自由度，根據這5個自由度，確定機械手的坐標形式為圓柱坐標。機械手各個自由度的運動簡圖如圖2所示。

2）機械手的主要參數。注塑機通常用于單一大批次的生產中，根據常見注塑機的功能參數，設計各個自由度的運動極限參數：機械手手部最大抓取質量（3 kg）也就是機械手工作極限值3 kg；機械手手腕回轉角度為90°；機械手上下直線升降的最大工作行程為800 mm；機械手機身以外部分實現往復搖擺運動，運動極限角度為180°；機械手副臂實現在工作平面上前后移動運動，最大工作行程為400 mm。

圖2 各自由度簡圖

3 手部結構設計

手部結構采用手爪式，如圖3所示，水口夾自帶氣缸，當水口夾需要抓取物體時，氣缸進氣口進氣，推動活塞桿移動，圓錐銷向兩邊頂開滾輪，滾輪連接著左右兩鉗板，滾輪滾動直接控制著鉗板的開合，從而抓取塑件，放下塑件時，直接氣缸斷氣，鉗板會在復位彈簧的作用下復位，從而達到放開塑件的目的。本文選取的水口夾型號為1615s型，該水口夾最大可抓取500 g的塑件；水口夾的缸徑為16 mm，行程為15 mm[6]。

圖3 水口夾結構

4 手腕部分結構設計

和人體結構一樣，機械手的手部與手臂之間連接部分同樣是手腕，這部分的作用就比較大，手腕靈活就能起到畫龍點睛的作用，手腕一般情況下可以用來改變機械手手部的一個抓取零件的方向，所以手腕部分也設計了一個自由度，運動形式為回轉。水口夾與回轉氣缸是作為一個部件來使用的，機械手的手部（也就是水口夾）與手腕部分（回轉氣缸）之間的配合如圖4所示[7-8]。

圖4 水口夾回轉氣缸組合部件

5 副臂結構設計

5.1 副臂結構設計

設計的機械手手臂選擇鋁型材作為主要材質，并且在結構上，通過將手臂與運動導軌相結合的形式，減輕質量，降低結構難度。

導軌的選擇：副臂存在的自由度是其上下升降的直線運動，因此其附合支承可以選擇直線導軌的形式，設計采用滾珠直線導軌，實物如圖5所示。

圖5 滾珠直線導軌

設計中采用上銀直線導軌，選擇型號為HG。與之相配合的滑塊總質量是0.9 kg。

5.2 副臂氣缸的結構尺寸

本文所選擇的氣缸為SMC公司所生產的CG型直線氣缸，氣缸的半徑為20 mm。副臂氣缸運動的行程為800 mm，如圖6所示。

圖6 副臂氣缸

5.3 手腕與副臂連接結構設計

1）副臂氣缸連接形式選用。副臂氣缸在機械手作用下推動導軌實現往復直線運動，這種情況下，就需要氣缸的活塞桿部分與副臂的導軌之間沒有相對運動，也就是說需要相對的固定，選擇桿端螺母的形式最適合，如圖7所示。

2）手腕與副臂連接結構設計。手腕是回轉氣缸，副臂則是以導軌為主的結構，之間沒有標定的連接方式，因此需要設計一個連接部件，將手腕與副臂連接到一起。連接件除了需要連接回轉氣缸、導軌，還需要連接副臂氣缸的活塞桿，就是活塞的桿端螺母的連接方式，最終的設計方案如圖8所示。

圖7 桿端螺母結構

6 機械手主臂結構設計

6.1 主臂結構設計

選擇鋁合金作為主臂結構的主要材質，比較輕，能夠承受較大負荷，有著很好的力學性能，主臂部分的結構如圖9所示。

與副臂的受力一樣，主臂采用兩個導桿來支承和導向，這樣受力更加均勻，導向性更好，對稱性也不錯。結合主臂的設計尺寸，確定導桿長度在460~470 mm均可，本文選擇一個中間值，選擇為465 mm，直徑20 mm，如圖10所示。

圖8 連接件

圖9 主臂設計總圖

6.2 主副臂連接結構設計

圖10 導桿

圖11 軸向腳座

1）主臂氣缸連接形式選用。結合主臂氣缸的使用要求，最終確定選擇軸向腳座的形式用來固定主臂氣缸。如圖11所示。

2）副臂與主臂連接結構設計。主臂與副臂需要設計一個部件，將彼此連接在一起，這個部分一共需要連接副臂滑塊、主臂氣缸活塞桿、兩個導桿等等，因此整個結構需要先確定各個部件的連接位置以及連接方式，連接方式都是采用螺栓的連接，最終結構如圖12所示，該部件同樣采用鋁合金的材質。

7 機身結構設計

7.1 機身的整體設計

機械手的最后一個自由度實現一個擺動行程為90°的擺動運動，通過機身作為承載部件，設計合理的結構來實現這一自由度，對應的機身結構可以設計成如圖13所示。為了考慮經濟性以及實用性，機械手機身部分采用GY-4590材料，價格適中，但應用卻是十分廣泛。

圖12 連接部件

圖13 機身三維圖

7.2 機身與主臂連接結構設計

機械手的機身需要支承除其自身以外的機械手所有部件，手部、手腕、主臂、副臂以及其它附屬結構，因此機身的受力是整個機械手結構中最大的。

機身與主臂連接設計成軸狀零件，由于該連接零件承受的壓力較大，同時還要受到較大的轉矩和彎矩，該零件的材質為45鋼，連接軸的參數為435 cm×φ45 cm，結構如圖14所示。

軸的兩端分別連接著搖桿機構和主臂機構，兩端均是采用螺栓固定，保證兩兩之間均不可出現相對運動，否

圖14 連接軸

圖15 直線氣缸運動轉換機構

7.3 機身氣缸選用以及驅動力矩計算

由于結構的限制，機身氣缸同樣需要設計成直線氣缸，通過一定機構的轉換，實現擺動驅動，此處設計的氣缸仍然是采用CG1型雙作用式單活塞桿氣缸，直線氣缸的半徑為20 mm。

1）機身氣缸連接結構設計。由于機身氣缸需要實現將氣缸的直線運動轉換成來回擺動運動，不能完全限制氣缸缸體的自由度。由于是將直線運動轉化成擺動，所以要求氣缸缸體也可以進行一定量的相對回轉，否則將會出現連桿機構中的死點位置，導致裝置失效，并且無法實現可調性，設計的整個轉換機構如圖15所示。

2）緩沖設計。整個機械手的5個自由度均是采用氣缸驅動，氣缸的特性導致其在運作時會產生較大的慣性，除了手部的水口夾自帶氣缸手腕的回轉氣缸，以及機身的直線氣缸擺動機構不需要設計緩沖裝置，另外的2個氣缸均需要設計緩沖裝置，緩沖裝置的作用是保證系統的可靠性，對元器件起到保護作用。塑件取件機械手的尺寸結構不大，相對的慣性也不會很大，因此采用液壓緩沖器就可以滿足設計要求，液壓緩沖器的結構如圖16所示。

圖16 緩沖器

8 結論

設計的機械手應用于注塑行業注塑機流線上，專用抓取塑件。機械手一共設計了5個自由度，運動均由氣缸來實現。除了手腕部分的氣缸為回轉氣缸，其它4處的氣缸均為直線氣缸。該機械手工作效率高、成本低、性能穩定。