自動上下料機械手的硬件優化

王玉華，潘中正

合肥經濟學院，安徽 合肥 230000

1 自動上下料機械手的研究現狀和趨勢

機械手是實現機械自動化生產的重要手段，機械手是工業機器人取代人類體力勞動的關鍵環節。全球制造業正加速向工業4.0邁進，我國的“中國制造2025”計劃中，明確30年三步走計劃，爭取在中華人民共和國成立100周年時成為制造業強中之強。其發展核心就是智能制造，而智能制造發展的核心是自動化，自動化的實現離不開機械手臂。機械手能代替人類完成危險、重復、枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產率[1]。機械手在機械行業中可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，適用于中、小批量生產，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，且適應性很強。

我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平較低，機械手的研究和開發直接影響我國自動化生產水平的提高，因此從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。

目前，自動上下料機械手在運行過程中會存在運行不平穩現象和振動現象[2]，因此，文章主要從硬件選擇方面對機械手進行優化，提高其在運行過程中的穩定性。

2 自動上下料機械手工作環境的要求

該課題的自動上下料機械手在實際的生產過程中用在沖壓流水線上。

2.1 機械手參數的相關要求

使用上下料機械手是為了避免人工上下料時出現的意外，實現無人上下料。自動上下料機械手完成工件的搬運后，可完成工件整體的轉移。設計機械手基本的要求如下：

（1）負載能力大于70N；

（2）車間流水線上代加工工件能夠準確地放到沖床上，加工后能夠準確地放到工作臺上，檢測之后能夠將工件放到下一個沖床上；

（3）使機械手和沖床之間的運動相互不干擾；

（4）機械手方便裝配和拆卸，節省空間；

（5）機械手應該有緊急應急程序，以便處理突發的情況。

根據要求選擇合適的驅動電機，且確定各個軸之間傳動的方法，再確定各個軸的參數和機械手其他的細節部分。

2.2 機械手的自由度和動作要求

在實際生產加工中，自動機械手要完成在三個工作臺上的相互搬運工件的動作，一個工作周期之內要到達三個位置，即沖床A、檢測臺以及沖床B。自動機械手在搬運過程中需要抓取工件、上移、轉動以及放料。上升下移需要有z軸的移動，三個位置的互換最少要有z軸的轉動，故要滿足自動上下料的機械手最少需要2個自由度，初步設計機械手如圖1所示。

圖1 拾取沖床A工件

圖1 中，機械臂z軸能轉動，在該機械臂上再安裝1個能夠抓取和釋放工件的機械臂，且該機械臂可以上下移動，才能達到工件的搬運和轉移的要求。

考慮到轉動式機械手在工作空間上存在不便，可以將轉動式改成直線式并設置x軸和z軸兩根懸臂。

起始位置時，x軸在z軸右邊，懸臂拾取沖床A上和檢測臺上已經檢測好的工件，此時懸臂上移，然后沿著x軸向右移，之后將沖床A加工后的工件轉移到檢測臺上方，檢測臺檢測后的工件轉移到沖床B的上方，最后懸臂下移放下工件，完成工件在沖床A、檢測臺和沖床B之間的轉運，如圖2所示。

圖2 釋放工件到沖床B

3 自動上下料機械手硬件選擇

自動上下料機械手控制系統硬件包含了電動機、電磁繼電器、傳動方式、吸附方式。

3.1 步進電機

在機械自動化生產過程中，有兩種常用的電動機，一個是步進電動機，另一個是伺服電動機。

該課題的機械手系統，x軸和z軸都選用了步進電動機，原因如下：

（1）機械手在運行過程中速度穩定，防止傳動時速度不均勻而產生抖動；

（2）機械手在整個工作過程中全部都是平移運動。

課題中，滾軸絲杠的驅動力由機械手臂的z軸電動機提供的步距角為1.8°，z軸的移動距離是300mm，螺紋距離是5mm。

3.2 傳動方式

常見的傳動方式包括同步皮帶傳動、滾珠絲杠傳動以及齒輪條傳動[3]。驅動模式的選擇與上下料機械手的實際工作環境有關。對于該課題研究的上下料機械手，同步皮帶傳動、滾珠絲杠傳動、齒輪條傳動都能滿足要求。然而考慮到兩方面因素，一是兩個沖床間隔比較大、自重的變形因素；二是工件的搬運需要準確地落入工位槽內，因此，機械手的x軸采用同步帶傳動驅動，z軸可以由滾珠絲杠傳動驅動。

3.3 吸附裝置

吸附裝置是自動上下料機械手設備中一個非常重要的裝置。一般情況下，有真空吸盤、機械手夾式吸盤和電磁吸盤[4]。該課題設計中的沖壓物料為磁性材料，因此選用電磁式吸附式吸盤。電磁式吸盤是利用物理電磁原理吸取磁性材料的一種裝置。課題設計選用的電磁吸盤主要參數如表1所示。

表1 電磁吸盤主要參數

4 機械手仿真結果

（1）啟動SolidWorks，選擇“文件”打開機械手裝配圖；

（2）選擇Motion分析功能，SolidWorks Motion作為SolidWorks自帶插件；

（3）對各個部件進行距離約束；

（4）對連接板進行距離約束，距離設置為230mm，動畫時間設置為6s；

（5）對懸臂進行距離約束，距離設置為250mm，動畫時間設置為4s；

（6）對電磁鐵進行距離約束，距離設置為50mm，動畫時間設置為0.1s。

通過仿真運行驗證優化方案的合理性，可知該方法在一定程度上提升了工件在運行過程中的平穩性，運行過程如圖3所示。

圖3 仿真過程示意圖

5 結束語

沖床中的自動上下料機械手主要傾向于機械手運動動作簡單、工作時間長、次數高、工作過程中機械手的運動平穩、流水線加工中有較高的加工精度，該課題設計的關鍵在于機械手整體結構的優化，并通過仿真運行驗證了結構的合理性。但在硬件選用方面還存在一定的不足之處，并且無法很好地實現自動化，檢測到不合格件時需要手動干預。因此，該課題接下來的研究重點是提高硬件的精度及運動的全自動化。