自動(dòng)投本機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

于貴文，劉登科

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱150028）

0 引言

機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械人行業(yè)的重要成員之一。首臺(tái)機(jī)械手誕生于美國(guó)，到現(xiàn)在為止已經(jīng)歷了70 a的歷程。20世紀(jì)60年代初，世界第一臺(tái)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在AMF公司誕生[1]；1978年，美國(guó)Unimation公司研發(fā)出通用工業(yè)機(jī)器人(PUMA)，應(yīng)用于通用汽車裝配線，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟，PUMA至今仍然戰(zhàn)斗在生產(chǎn)第一線[2-3]。1981年，美國(guó)成功研制出6個(gè)自由度的機(jī)械手[4-5]。1982年，日本不二越公司成功研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便捷的“FUJI ACE”系列的專用碼垛機(jī)器人，操作頻率達(dá)到1600 次/h；2008年，F(xiàn)ANUC公司研制出承載能力更為強(qiáng)大的6軸機(jī)器人（M-2000iA），其有效負(fù)載能力為1200 kg[6]。

德國(guó)作為世界機(jī)器人強(qiáng)國(guó)，KUKA公司于1973年研發(fā)出全球第一臺(tái)機(jī)電驅(qū)動(dòng)的6軸工業(yè)機(jī)器人（FAMULUS）；2007年，設(shè)計(jì)出了負(fù)載能力和工作效率非常強(qiáng)大的6軸工業(yè)機(jī)器人（titan）,可以快速地搬運(yùn)重物[7]。

我國(guó)機(jī)器人研發(fā)起步較晚，始于20世紀(jì)70年代。1977年，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所蔣新松院士提出了發(fā)展機(jī)器人的設(shè)想，1985年研制出第一臺(tái)水下機(jī)器人[1,7]；1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡鶴皋院士研發(fā)出第一臺(tái)焊接機(jī)器人，同年開發(fā)出碼垛機(jī)器人，并廣泛應(yīng)用于大慶、吉林等化工企業(yè)[8]；1995年，上海交通大學(xué)研發(fā)出首臺(tái)精密裝配機(jī)器人（精密1號(hào)），精密1號(hào)具有視覺識(shí)別功能[8]，開啟了我國(guó)智能機(jī)器人發(fā)展的新篇章。

1 自動(dòng)投本機(jī)械手的研究背景

通過調(diào)研，很多傳統(tǒng)印刷企業(yè)利用半自動(dòng)化圓盤包本機(jī)進(jìn)行包本作業(yè)，書芯的投放工作由人工完成，整個(gè)包本作業(yè)共計(jì)需要5人完成：其中搬書芯兼投料員1人，投本員1名，書皮投放電控員1名，收本員1名，碼垛員1名。效率比較低，平均每本投放時(shí)間為3 s，即節(jié)拍為3 s/本；投本作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，易產(chǎn)生疲勞，投本1 h左右，就要休息20 min，并且經(jīng)常出現(xiàn)投放書芯反向、錯(cuò)位等差錯(cuò)，平均差錯(cuò)率為1%左右，使印品的合格率下降。因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)投本機(jī)械手，代替人工投本作業(yè)，不僅可以減少2個(gè)作業(yè)人員，還能有效地提高印品的包本質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低印品成本，提高作業(yè)效率，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 自動(dòng)投本機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案規(guī)劃

2.1 機(jī)械手的組成系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)相比，機(jī)械手還應(yīng)具有控制和檢測(cè)功能，以實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，機(jī)械手的組成系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與分析

通過對(duì)哈爾濱商業(yè)大學(xué)印刷廠的實(shí)地調(diào)查，將自動(dòng)投本機(jī)械手安裝在人工投本位置，初始位置自動(dòng)投本機(jī)械手的懸臂梁與書芯架處于同一水平位置，而書芯架與圓盤包本機(jī)高度差為338 mm，書芯的外邊緣與圓盤包本機(jī)書芯槽口之間的水平距離為335 mm，三者之間的空間和平面位置關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖1 走動(dòng)投本機(jī)械手的組成

根據(jù)圖3的位置關(guān)系，該自動(dòng)投本機(jī)械手的一個(gè)投本作業(yè)應(yīng)由8個(gè)動(dòng)作組成：手爪夾持書芯、底座滑板向右移動(dòng)220 mm、手腕向下翻轉(zhuǎn)90°、立柱下降30 mm、手爪打開投本、手腕向下翻轉(zhuǎn)90°、立柱上升30 mm、底座滑板左移220 mm。然后循環(huán)上述動(dòng)作，繼續(xù)完成下一次投本作業(yè)，具體作業(yè)流程如圖4所示。

圖2 三者之間的空間位置關(guān)系圖

圖3 三者之間的平面布局圖

圖4 自動(dòng)投本機(jī)械手作業(yè)流程圖

3 自動(dòng)投本機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)投本機(jī)械手的投本作業(yè)是通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，通過機(jī)械方式傳遞到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的投本作業(yè)活動(dòng)。

3.1 傳動(dòng)方式的選擇

傳動(dòng)方式大體可分為4類：機(jī)械、電氣、液壓和氣壓。根據(jù)4類傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以及自動(dòng)投本機(jī)械手的精度和環(huán)境要求，底座移動(dòng)選擇液壓傳動(dòng)；立柱的升降選擇液壓傳動(dòng)；腕部翻轉(zhuǎn)和手爪夾持器選擇氣壓傳動(dòng)。

3.2 底盤部分的設(shè)計(jì)

底盤部分固定在基座上，其主要作用是通過連接件與立柱連接，通過液壓缸的活塞桿帶動(dòng)齒輪在固定的下齒條上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到帶動(dòng)上齒條左右移動(dòng)。上齒條的兩側(cè)安裝在滾柱軌道之上，以減少移動(dòng)的摩擦阻力，保證上齒條左右移動(dòng)快捷、平穩(wěn)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 底盤剖面視圖

3.3 立柱部分的設(shè)計(jì)

自動(dòng)投本機(jī)械手的立柱部分主要有外殼體、液壓缸和連接塊組成。由外殼體的底座與底盤連接，由升降桿上方的圓孔與手臂連接；通過液壓缸的活塞桿的上下移動(dòng)帶動(dòng)升降桿移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投本機(jī)械手的上下移動(dòng)。其立體圖和剖視圖分別如圖6和圖7所示。

3.4 臂、腕和手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臂部是由鋁合金圓管構(gòu)成，左端帶有連接座，與腕部連接，右端與連接塊連接；腕部由回轉(zhuǎn)氣缸和擺臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手部由夾板和手指氣缸組成，通過連接法蘭與腕部回轉(zhuǎn)氣缸連接，通過氣壓調(diào)節(jié)閥控制夾板的開合，實(shí)現(xiàn)抓取書芯和投本的功能。具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.4.1 氣缸的選擇

根據(jù)投本作業(yè)的運(yùn)動(dòng)分析，自動(dòng)投本機(jī)械手的腕部應(yīng)實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)夾板取本，回轉(zhuǎn)到垂直位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)夾板投本，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程要求快捷、準(zhǔn)確，故而選擇型號(hào)為HQR700A的回轉(zhuǎn)氣缸；手指開合由手指氣缸控制，因而選擇MHL2-16D的手指氣缸。

3.4.2 夾板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)書芯的特點(diǎn)設(shè)計(jì)夾板，由一對(duì)兩指夾板組成，通過螺栓與手指氣缸連接。由于書芯是一種軟質(zhì)材料，與書芯接觸的“手指”部分可做掛膠處理，以起到保護(hù)書芯作用；在設(shè)計(jì)夾板的運(yùn)動(dòng)尺寸大小時(shí)，要考慮書芯厚度的變化，選擇開合度較大的手指氣缸，以適應(yīng)不同厚度規(guī)格書芯的投放。

3.5 整機(jī)的虛擬裝配

按照上述自動(dòng)投本機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路，其整機(jī)主要由底盤部分、立柱部分和臂、腕、手部分三大裝配體及其它零部件構(gòu)成，根據(jù)各個(gè)裝配體及零部件的位置關(guān)系，進(jìn)行自動(dòng)投本機(jī)械手整機(jī)的虛擬裝配。根據(jù)自動(dòng)投本機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)的位置關(guān)系，首先插入底盤裝配體，并令其成為固定部件，然后依次插入立柱和臂、腕、手裝配體，并通過“配合”指令使各裝配體進(jìn)行約束配合，最后得到虛擬裝配后的自動(dòng)投本機(jī)械手樣機(jī)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，具體立體結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖6 立柱的立體圖

圖7 立柱的剖視圖

圖8 臂、腕和手部的剖面視圖

圖9 自動(dòng)投本機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)圖

3.6 投本作業(yè)的效率分析

根據(jù)上述投本作業(yè)的運(yùn)動(dòng)分析，自動(dòng)投本機(jī)械手的投本作業(yè)是通過底盤的水平移動(dòng)，腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，夾板閉合，實(shí)現(xiàn)取本，然后底盤反向移動(dòng)，腕部回轉(zhuǎn)90°，立柱下滑，夾板打開，實(shí)現(xiàn)投本作業(yè)。具體的投本作業(yè)時(shí)間順序如圖10所示，投本作業(yè)的節(jié)拍為2.2 s/本，與人工投本作業(yè)相比，效率提高了36.33%，如果考慮到人工休息時(shí)間，自動(dòng)投本機(jī)械手的投本效率遠(yuǎn)高于人工投本作業(yè)。

圖10 投本作業(yè)的時(shí)間順序圖

4 結(jié)論

通過實(shí)地調(diào)查及對(duì)投本作業(yè)的動(dòng)作分析，確定了整個(gè)自動(dòng)投本機(jī)械手的自由度數(shù)和夾持器的結(jié)構(gòu), 然后確定了設(shè)計(jì)方案，并對(duì)機(jī)械手各部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，應(yīng)用SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)各零部件的虛擬裝配，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)合理。