自動卸模機械手手爪的研究與設計

董 偉

（1.純電動轎車及關鍵零部件河南省工程實驗室，河南 三門峽 472000； 2.三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

1 前言

在一些工業生產領域，工人由于工作原因，往往會受到易燃易爆、致命氣體等因素的存在，增加員工的勞動強度，甚至危及生命。因此，保障生產安全，降低生產價格，提高產品質量和經濟效益是企業最應該面對的問題。自動化卸模機械手主要解放了工人在易燃易爆等惡劣環境下繁重而頻繁的操作，雖然它不像手那樣用途靈活，但它的特點是可以不斷重復工作和勞動，不知道疲勞，不畏懼危險，而且抓舉重物的力氣也比手的力氣大，特別是在高空、粉塵、易燃、易爆、高溫的惡劣環境中操作中代替人作業，因此，它的應用越來越廣泛，在遠程觀察下，自動卸模機械手會從加裝區將模具從螺旋壓力機構上安全卸下，并運送到螺旋水泥平臺上，實現無先導卸模操作。卸模機械手的出現為卸模工作的完成提供了可靠的專業保障，為更全面實現模具更換的無人操作提供了參考[1]。

2 機械手的功能分析

2.1 模具的結構特點

模具有6套，形狀相似，尺寸差異大不，長約1250mm，全身鋼鐵結構，重約500kg，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖

2.2 機械手的組成

根據模具機構的特點和車間的布置，采用龍門架結構的直角坐標機械手，滿足模具裝卸空間運輸的要求。 機械手主要由執行器，驅動系統，控制系統和位置檢測裝置組成[2]。 執行器包括手，腕，臂，柱等部分。驅動裝置主要包括防爆電機和氣缸，通過接近開關來防止機械部件間的碰撞，通過氣缸拉動齒條來完成手爪的張開閉合，由防爆電機驅動來完成機械手的各個方向運動，通過配合可完成模具的裝卸。機械手的控制系統通常由程序控制系統和電氣定位（或機械停止定位）系統組成，如有必要，它可以監視機械手的動作并在出現錯誤或故障時發出警報信號。

2.3 卸模工作流程

在制定設計方案之前，要整理出卸模機械手的管理方法，首先卸模機械手從任何位置開始返回起始位置的方法，整個過程中，機械手爪打開到最大角度，機械手臂提升到最高位置，龍門框架也返回到左側原點。在手動模式下，操作者在視頻觀察的幫助下，啟動命令按鈕進行操作。卸模機械手的提臂和側臂配備有接近開關，可精確到達計劃的停止位置。對于其他運動機構，需要達到的位置建議點動微調。

3 機械手手爪的設計

手爪是機械手執行機構的主要部件，其通過齒條的上下移動實現手爪的張開閉合，根據模具外形和質量大小，機械手的手爪采用兩個機械夾鉗式手爪將模具前后抓住來搬運工件。手爪的各種運動通常使用驅動機構和傳動機構實現，機械手爪采用氣缸作為其動力元件。從受力情況分析，當它在工作中，是直接承受安裝框架，手部及工件的靜態和動態負載，并有額外的自己運動。因此，手爪的結構、工作行程和靈活性等直接影響機構的工作性能[3]。

3.1 機械手手爪的設計分析

（1）手爪應具有較大的承載能力、良好的剛度和輕巧的自重；

（2）截面形式和輪廓尺寸應根據受力情況進行選擇；

（3）提高支承剛度，合理選擇支承目的距離；

（4）手部運動要靈活，慣性要小。

3.2 機械手手爪的設計計算

（1）手爪的類型。 工業機械手常用的手爪按夾持工件的原理將其分為兩類：夾持式和吸附式。吸附式通常習慣于抓取工件表面平整、空間巨大的板狀物體，而夾持式則會帶動負荷較重的模具，且夾持程度較高[4]。根據模具的形狀和尺寸，本設計選用了夾持機械手的手爪。以便使機械手能夠游刃有余地操縱工件，因此本設計選擇了兩個夾緊手爪，夾緊力由兩個氣缸提供。手爪通過手爪固定座安裝到機械手調整架上。

（2）齒條的設計計算。

1）按照所設計的傳動方案，選用齒輪齒條傳動；

2）防爆機械手為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）；

3）材料選擇。由《機械設計》表10-1選擇小齒輪為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒條材料45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS；

4）閉式齒輪傳動一般轉速較高，為了提高傳動的平穩性，減小沖擊振動，小齒輪的齒數Z1=20-40，所以選擇小齒輪的齒數Z1=28。

這樣設計的齒輪傳動裝置在做到結構緊湊，避免浪費的基礎上，又滿足了各齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度。

（3）安裝座的設計。

側板的作用主要是用來固定機械手爪和氣缸，用來確定手爪和齒條的位置，是機械手的重要組成部分，如圖2為機械手側板的設計結構圖。

圖2 機械手側板結構圖

（4）氣動控制設計。

防爆卸模機械手手爪由氣動元件控制，氣缸的伸開和關閉由三位五通電磁閥控制，而閥芯在中間位置內，可長時間鎖定氣缸，在斷氣瞬間防止手爪伸開[5]。節流閥將改變空氣流量，形成機械手的緩慢夾持速度及穩定。PLC控制氣動系統，PLC邏輯輸出管理方向閥的繼電器開/關，實現方向閥體的動作，并完成氣路的開/關，以控制氣動回路。

3.3 機械手手爪的張開角度計算校核

根據前面的設計，初步設計的機械手手爪結構如圖3所示。

3.3.1 對初步設計進行張開角度計算校核

在設計初期先假設使用型號為CDGPB15-150-D-B-97的氣缸，那么氣缸活塞桿伸長量為150mm，那機械手抓旋轉角度為，則理論最大垂直距離為19.53mm，那么最終可實現向上提升距離為169.53mm＜240mm（模具夾持位置直徑），那么張開角太小，無法進行零件夾取。

圖3 機械手結構圖

圖4 機械手抓張開角度圖

3.3.2 對優化后的機械手手爪進行張開角度計算校核

通過分析，需對三部分進行調整：首先更改氣缸型號，選用CDGPB15-200-D-B-97的氣缸，則氣缸活塞桿伸長量為200 mm，其次將機械手手抓下部分減小50mm，第三安裝旋轉銷位置提高100mm。機械手抓旋轉角度為，則理論最大垂直距離為118.26mm，那么最終可實現向上提 升距離為118.26+100+50=268.26＞240mm，那么張開角滿足要求，可進行零件的夾取。

圖5 機械抓重新設計后張開角度后

4 結論

防爆機械手是惡劣環境中裝配的重要工具，本文針對模具的特點，設計了機械手組成，對機械手爪進行了設計分析，設計了手爪的類型，并對機械手爪的張開角度初步進行了計算校核，通過優化設計方案使張開角滿足模具的要求，可進行零件的夾取。