一種生產線自動上下料機械手結構設計

曹興業，杜保成，曹炳馳

（平顯智能裝備（深圳）有限責任公司，廣東深圳 518000）

現代化工業生產中，原材料搬運、機床自動上下料是個薄弱環節。在生產中這類工序的費用成本過高、消耗時間過多問題迫切需要解決，再加上此類工序中頻發的事故，制約了機械自動化的順利發展。當前部分工業的生產線已采用自動上下料機械裝置，自動上下料裝置不但減少了工人的勞動強度，也減少了車間管理人員的大量投入，從傳統的一人管理一臺機床轉變為一人管理整個車間的狀態，為企業降低了成本投入，提高了工作效率。

1 自動上下料機機械手發展的意義

目前，工業機械正朝著科學化、重構化、模塊化方向發展，自動上下料機械手是工業自動化發展的必然產物。在復雜的流水作業和惡劣的生產環境中，機械手呈現出的優勢明顯，它具有人類手工操作沒有的超精準定位；能夠借用現代自動化手段實現對數據的有效分析和綜合治理；采用電腦控制器有效提高整體工作效率和操作水平；集成性高，可以增強工序的安全性能；整合數據，實現機床的標準化管理。另外系統中的傳感器也起到了至關重要的作用，不斷優化相關設備的速度參數，達到機械焊接和裝配的集中管控，優化工業機械設備的動態化管理。

2 自動上下料機機械手的應用

自動上下料機械手在廣泛的應用中優勢突出，對工業生產制造有深遠的意義。在工業生產中的突出應用優勢是：作業速度比傳統人工快；不間斷工作，提高了效率；承載物料能力強，運輸傳送移位精準。這些優點還直接降低了生產的故障發生率。近年來已經得到了大量的推廣，多個行業的工業生產線都已引入了機械手。例如，汽車制造（圖1）中的應用、工業控制（圖2）的應用、工業機器人（圖3）的應用。隨著工業制造業的持續發展，機械手在應用中不斷地積累經驗、改進技術，使工業生產制造效率更高，為企業帶來更多的經濟效益。

圖1 汽車制造

圖2 工業控制

圖3 工業機器人

3 自動上下料機機械手流程設計

這種融合自動上、下料的機械手生產線，結合了機械制造、傳輸傳感、自動化控制、人機配合等先進技術，完全符合生產線的需要，節約資源，達到設備最大化利用，減少了復雜環境下不必要的人員浪費，保證了人員的安全，而且機械自動化可以實現生產線的不間斷工作，保證了系統高效運行，提高產量保證質量，是工業生產自動化發展的必然階段。

3.1 機械手上料流程

（1）自動裝置機械手的上料機工作流程，首先是通過主軸孔向上頂料，第一根料被頂進主軸孔后，緊接著第二根料頂第一根料，以此類推，后料頂前料。自動上料時V 型槽、主軸孔之間要符合標準配置，沒有誤差，這種自動上料方式沒有間斷，24 h 工作，很好地提高了工作效率。

（2）加置上料盤，主要功能是儲存一定數量的加工件，保證上料過程不被中斷。為了提高效率，當主軸孔頂進新的料后，機械手就直接把加料盤的新料頂入到V 型槽。

（3）在自動化上料時，機械手主要功能就是把毛坯料放入V 型槽，只要有一根進入到V 型槽加料盤之后，下一根毛坯料由于重力的作用就會自動加料給加料盤，如此循環往復，機械手旋轉一次，加料進行一次。

（4）當生產線上完成V 型槽入料后，頂料小車開始工作，主要作用是接收毛坯料并勻速向主軸孔頂入。當小車到達前限位時就會迅速后退到后限位，此時小車的運送頂入工作已完成，機械手就會開始下一個重復的放進工序，繼續給V 型槽頂料。

3.2 機械手下料流程

3.2.1 自動化下料機工作流程

機械手自動下料的工作流程簡單易操作，符合長線生產工藝的設計原則。文中自動化下料就以自動精密玻璃切裂生產線為例，介紹流水生產線上的機械手下料流程。第一步，自動放入玻璃，接著進入到切割工序，切割機切割玻璃，翻板機翻板玻璃；第二步，被切制好的玻璃又被運送到裂斷機壓斷，第二次切割翻板；第三步，也是最后一步，開始拾取玻璃，通過吸塑盤運輸，最后去清洗。整個下料流程中，切割機和裂斷機都安裝有保障視覺對位功能，保障玻璃切割準確；同時，它還配有粉塵處理裝置，生產線流程上還貼有防護罩，警示，避免操作人員誤傷事故。

3.2.2 自動化下料機工作原理

這里仍然以上述玻璃生產線為例，它的作用是把處理后的玻璃顆粒運送至吸塑盤，接著把成粒玻璃運送給下一步清洗。在整個工序中，切割后的玻璃被移送給下料機，成粒玻璃被抓置到吸塑盤，吸塑盤再運送到下一個作業流程，整個作業過程穩定不間斷，作業細節標準。工作過程中要注意以下6點。

（1）機械手放置玻璃到吸塑盤位置精準。

（2）機械手識別玻璃是否有粘連、是否有破損，被識別出的破損玻璃會自動放入廢料箱。

（3）機械手抓取尺寸是可以調節改變的。

（4）控制程序可以設置運行狀態和報警指示燈。

（5）設備有手動、自動兩種功能，相互配合。

（6）系統的機械設備結構設計合理，配套傳送裝置穩定可靠。

3.2.3 自動化下料機結構

結合實際生產需要，該結構的功能主要有4個模塊，分別是升降傳送模塊、玻璃盛放臺模塊、吸塑盤移載模塊和下料機械手模塊，4個模塊互相配合完成一整套下料作業。此例中應用的自動搬運玻璃功能，是常見的工業自動化機械手操作模式，該技術已被廣泛使用。

3.3 機械手設計流程

工業自動化機械中，上下料機械手有較多種類，在實踐中需要嚴格篩選類型，以符合實際需要。當前，最為常用的機械手有3類：測量式手抓，搬用式手抓和加工式手抓。這3類機械手工作方式差異較大，工作場景大不相同，要根據實際需要選擇配套的類型。機械手在設計開發過程中應結合實際需求不斷改進，同時一定要遵循機械生產的原則。

為了避免自動機械手與萬能手抓的沖突，機械手秉承工業應用的基礎，把機械手的前期工作作為重心，重點突出，在實際應用中發揮它的最大價值。機械手整體架構不僅需要有常用的夾持功能，還要設計其他的專有用途，滿足機械手工作性質的需求。同時，還需要配備一個配套的機械按口，主要用來配合尾端執行器，實現標準的工作流程。

搬運式手抓是夾持裝置，它有抓取、搬運兩項功能；加工式手抓是基于機械手的功能，也可稱為另外的一種機械設備，配有焊槍和鐵刀等工具，主要是用來進行加工作業。在實際自動化上下料操作時，結合配套的機床作業，使機械手發揮出最大作用。

4 自動上下料機機械手結構設計

文中介紹的自動化生產線上下料機械手的技術參數是：手臂上升和下降的范圍區間是500 mm，旋轉的運動區間是180°，伸縮方向的區間是500 mm，包含上升下降、打開合閉、伸開縮回、旋轉等4種運動。

4.1 整體結構

機械手整理結構主要有機體、手臂、腕部、手部等4個部位。

4.1.1 機械手機體結構

圓形結構的機體完全符合機械強度和保持手平衡要求，是整個聯接支撐板，可以承載機械手所有動作的受力，通過有限元分析的手段不斷地優化機械手設計結構，達到其受力強度要求。目前，穩定的機身機構采用的是圓形，配備可移動式底座，利用鉸制孔螺紋和半凸緣式空心座套連接，再安裝圓形套蓋，套板上配置支撐板。這樣的設計使機械手成為獨立的操作系統，方便安裝移動，也可與其他工業設備結合，作為便攜式機械手配套使用。

4.1.2 機械手手臂結構

機械手的手臂采用不同的工藝設計來滿足四種運動需求。上升下降運動是利用絲杠和螺母間嚙合，使兩者之間相互作用實現手臂上下移動。為設備合理設置螺紋結構，增設雙導向平衡裝置，保證工作過程中的穩定運行，避免偏置力矩引起的不連續運動或者卡死情況。

4.1.3 機械手腕部結構

機械手的腕部為凸緣式設計，保證手臂的回旋動作順利進行。伸縮運動的設計是采用液壓驅動與內外壁互相配合，滿足伸縮要求，遵循最小化結構尺寸原則。機械手的腕部凸緣式設計，外伸是為了保證液壓驅動滿足180°區間回旋。

4.1.4 機械手手部結構

機械手手部的打開和關閉是利用手指來完成的。手部結構是利用鉸鏈式銷軸連接手腕和手指，形成轉動副。手臂的伸縮帶動回轉銷軸達到手指開合功能。一般工業上的手指采用的是V 型塊結構，也有部分企業使用圓弧外抱式、直行防滑墊式結構。實際機械制造中，會針對工業件的大小、形狀，靈活切換模式，減少工業成本投入，提高機械手的通用性。

4.2 機械手絲桿尺寸結構

機械手是通過絲桿實現上升和下降運動的，設計絲桿時應該根據剛度確定尺寸和主要參數，對機械手的穩定性和自鎖校驗。實際操作過程中，可以依據機械的承載和成本投入，確定絲桿的設計。

4.3 機械手手部建模

機械手的手部建模是三維實體模型，在底層根據零件要求插入裝配體形成建模模型。

4.3.1 機械手手爪的建模

在機械手的裝配模塊中，在裝配界面先選擇上手抓零件，再插入零部件按鈕，通過界面菜單調出V型塊，機械手平面基準的配合可以選擇兩個同心圓，最后組合形成手指和手掌的裝配三維圖模型。

4.3.2 機械手手部與腕部裝配

在裝配模塊界面中，將腕部、手部以及零件驅動在同一界面裝配。接著通過配合管理器來選取腑部裝配體和手部驅動油缸，腕部驅動油缸和腕部裝配體，再設定兩個需要配合的基準裝配軸曲面，實現手部與腕部的裝配。

4.3.3 機械手手部實體運動仿真

最后點擊進入動畫界面管理，選擇動畫向導，使用旋轉運動基準軸，調整手的轉動方向和旋轉次數。在左側的關系樹中利用時間軸選擇配合的尺寸，模擬出機械手部動作路線。這樣形式的設計，手部運動顯示直觀，修改方便，可及時修正減少不必要的損失，也降低了制造成本。

5 結束語

綜上所述，生產線的機械結構設計是一項綜合性強，功能復雜的加工工藝。隨著當代科技的加速創新，機械生產線的自動化流程也跟著發生了翻天覆地的變化。對一種生產線來說，科學合理地設計自動化上料下料工藝，不斷改進生產線結構運行參數，提高效率，可實現工業機械化生產的高質量目標。當然，工業生產管理人員還要不斷提高專業技術人員的個人能力，結合生產線的實際情況，全線管理，制定合理的機械運行管理機制，借用先進的科學技術，發揮自動化上料下料機械手的最大優勢，使機械工件運行時間、生產質量達到預期目標。另外，機械手三維實體建模可以模仿整機結構進行模擬裝配，仿真檢驗運動情況；在滿足機械設備運行功能的前提下，對主要工作部件進行強度校核等，這些都是對自動化上下料機械手進行優化的措施。