全自動總成檢具的機械手上料裝置設計

楊金祥，章海，陳勝，董大釗

（浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江舟山 316000）

0 引言

目前對于汽車總成檢具檢測零件尺寸的自動化程度非常低，在檢測過程中需要把零件固定在總成檢具上，而大多數生產工藝中是由人工把零件上料在檢具上, 導致生產效率低，零件質量也會因人工反復疲勞動作而受到影響，所以設計了一種可靠性高、精確定位上料的自動機械手臂[1]。我國機械手臂的發展比較緩慢，但在我國的科技興國政策的推動下，我國的機器人智能化和工業生產自動化技術得到了很大的進步，其中關于機械手臂的控制已經發展到了6個自由度的控制[2]，可以多方位進行定位與上料，并應用在許多大型汽車零部件生產公司。其中國內機器人技術研究較為前沿和領先的有新松機器人、首鋼莫托曼機器人有限公司[3]的機器人可以應用于弧焊、搬運、切割等眾多領域，推動了我國機器人的研究和發展。我國軍事領域也有許多自動機器人的身影。在高等院校里有許多機器人研究領域的試驗探究，浙江大學通過機器人實驗室探究出一種多個自由度的氣動伺服自動機械手臂，該機械手臂能夠實時定向反饋位置坐標，并能精確地跟蹤目標位置坐標，但是由于氣動提供動力導致機械手臂抓著力小和旋轉扭動力不足等；南京理工大學通過大量的探究和試驗，成功地研制出一種模擬生物的機械手臂，該手臂能夠像人手一樣多關節靈活多角度地抓取東西；北京理工大學和哈爾濱工業大學等許多高校在機器人智能化領域方面的研究也取得了令人矚目的成果。但是就機械手臂動作的精度、諧波減速器和電子半導體配件電路板制造而言，我國的機器人自動手臂研究仍然處于落后的狀態。現如今比較流行的機械自動化手臂大多利用PLC作為控制器進行編程控制電子元器件，從而達到精確控制機械手臂的機械結構，使用較多的PLC控制器為西門子S7-1200系列[4]。

1 工作原理

全自動總成檢具的機械手上料裝置主要由機械爪頭、連桿機構、氣缸等構成，如圖1所示。

圖1 全自動總成檢具的機械手上料裝置

目前全自動機械手裝置的動力系統主要分為氣動方式、電動方式和液壓方式，本裝置考慮到夾緊的零件為正六邊形螺母，其質量較輕，所以采用較為潔凈便捷的氣缸作為動力元件；本裝置的自由度有3個，其中X軸向由無桿氣缸動力控制，Y軸向由薄型氣缸動力控制，Z軸向由轉動氣缸控制。多滑塊機械爪與轉軸之間通過薄型氣缸固定，為了保證裝置整體的穩定性，氣缸之間由3根導桿進行連接，通過氣缸間的協同動作使多滑塊機械爪抓取零件上料至總成檢具上。

2 全自動總成檢具的機械手上料裝置設計

全自動總成檢具的機械手上料裝置的主要組成部分有多滑塊機械爪頭機構、無桿氣缸機構、連桿機構。

2.1 多滑塊機械爪頭機構

本裝置的多滑塊機械爪頭機構的設計，是在多細棒夾緊爪頭機構的原理上進行的改進與創新。由于總成檢具檢測的零件是正六邊形的汽車螺母，在抓取零件過程中，由于其各個面比較平整，在加工過程中有可能夾取的為其截面圓形，所以利用6個滑塊去壓緊螺母的6個表面，在機械爪頭內部配置彈簧來控制滑塊夾緊零件，使用6個配有彈簧的滑塊作為機械手爪與總成零件的抓取機構，多滑塊爪頭的內部使用優質彈簧與機械手的前端接觸部分固定連接；當機械手松馳的時候彈簧就會迅速地自動恢復原形，作為機械手的重要部分，夾緊機構使用一個粗糙的平面板來夾緊螺母6個面，凸塊平面面板的軸向移動通過氣缸控制運動位移行程。多滑塊機械爪頭結構圖如圖2所示，多滑塊機械爪頭結構剖視圖如圖3所示。

圖2 多滑塊機械爪頭機構

圖3 多滑塊機械爪頭機構剖視圖

2.2 無桿氣缸機構

無桿氣缸結構[5]的內部組成和機械原理是：氣缸的活塞間接地連接在連桿機構上，在其內部不存在導桿而是隨著活塞運動而運動；無桿氣缸結構所擁有的特點是結構簡單、安裝方便、位移行程容易控制、速度平穩易控制等。根據無桿氣缸結構的觸動方式可以細分為磁耦式和機械接觸式。磁耦式是通過一個無桿活塞和一個帶有磁性的滑塊相互間接連接所構成；因為是通過氣缸進行驅動，當氣缸的動力大于滑塊的磁力時，氣缸會驅動連桿機構進行運動；當氣缸的驅動力小于滑塊的力時，氣缸不會驅動連桿運動而是保持復位狀態。機械式是將活塞與連桿機構直接固定，并將動力傳輸到機械爪頭處，并使連桿機構隨著活塞做反復行程運動，傳動力是通過氣缸的活塞移動的同時帶動連桿機構。本無桿氣缸裝置使用的驅動方式為磁耦式無桿氣缸。

2.3 機械爪連桿機構及其應變應變分析

因為在使用多滑塊機械爪頭抓取零件的時候要放在檢具上，所以要把夾頭機構上升到與檢具同一水平高度；當連桿機構在反復運動后會發生形變，這種細微的形變會導致上升的高度和總成檢具不在同一平面上，進而會導致機械手安裝出錯；為了避免連桿機構發生形變，故利用有限元分析法分析變形量的尺寸和相位。在分析前對連桿機構進行搭建模型并做理想化處理：多滑塊機械爪頭夾緊零件的時候受力點均勻并不發生滑動摩擦，并且設零件的受力點在多滑塊機械爪頭的底面重心上。同時為了考慮機械爪頭和連桿機構的形變量在所允許的范圍內，簡化所有零件的重心和受力共點均處于機械爪頭的底面中心處。通過簡化機械手臂裝置可以得到一個簡化的機械爪連桿機構模型，如圖4所示。一個正六邊形螺母零件的質量為0.175 kg,可知一個螺母零件所受重力大小為G=mg=0.175×9.8=1.715 N，通過機械原理估算可以知道多滑塊機械爪頭所能承受的最大值為5 N，因此機械爪前端的平面板最大載荷力大小為5 N，其載荷力及網格化后模型如圖5所示。

圖4 機械爪連桿機構圖

圖5 載荷力與網格化模型圖

通過有限元分析計算可以知道抓取零件所造成的最大形變量在多滑塊機械爪頭機構處，其最大形變量為0.55 mm，此最大形變量在連桿機構的使用允許范圍之內；因為長時間的機械臂抓取零件會使多滑塊機械爪頭處于溫度過高狀態，所以還要考慮到高溫對于機械臂力學性能的影響，以及高溫對形變量的影響。此連桿機構的最大應力作用在中間連桿與底座相連之處，其最大的范式等效應力值為3.031×107Pa，遠遠大于普通碳鋼的最大應力屈服力2.206×106Pa，因此要減小連桿機構的應力值，需要在中間連桿處換用5 mm的圓角并再次測試應變力的大小，通過有限元分析可知最大范式等效應力值仍然大于2.206×106Pa，因此只能考慮換用其他屈服應力較大的連桿機構材料，若改用連桿機構的材料為合金鋼后，多滑塊連桿機構的最大范式應力值為3.031×107Pa，其屈服力為6.2×108Pa，所以最大應力值在所允許的屈服力范圍之內，故改用合金鋼后滿足工藝要求。其有限元分析如圖6所示。

3 結語

通過對全自動總成檢具的機械手上料裝置的各種機械爪頭連桿機構的有限元分析可得出，該裝置可以有效地完成對檢具檢測的精確上料，并對螺母零件進行篩選、抓取、定向放置、固定方向，以及在上料時能夠按照確定的方向排列。同時通過各個氣缸的協同控制可夾取出的零件按照一定的速度進行檢具的位置固定和精確檢測，其使得該裝置的可靠性高，并提高了檢具檢測螺母的工作效率。

圖6 多滑塊機械爪頭有限元分析圖