抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線機(jī)械手設(shè)計(jì)

童奇波，康宗善，陳 才

（1.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)職業(yè)教育中心學(xué)校，浙江 寧波 315201；2.阿克蘇地區(qū)庫車中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆 阿克蘇 842000）

引言

抱箍在房屋裝修、管道安裝以及工程建筑上有著廣泛的應(yīng)用。抱箍材質(zhì)基本為金屬，隨著社會(huì)的發(fā)展，在金屬的抱箍中安裝一個(gè)具有相對(duì)彈性及摩擦性更好的膠套，使抱箍在使用時(shí)更具固定性及穩(wěn)定性，對(duì)被固定的管道等也具有很好的保護(hù)作用。很多國(guó)內(nèi)外的客戶都要求給抱箍裝配一個(gè)膠套，以便軟膠套保護(hù)被固定的管道或其他零件[1]。

在中等職業(yè)學(xué)校里，有傳統(tǒng)大類的專業(yè)是機(jī)械類專業(yè)，為了服務(wù)社會(huì)，進(jìn)行校企合作，機(jī)械專業(yè)教師經(jīng)常有機(jī)會(huì)帶領(lǐng)自己的學(xué)生下企業(yè)調(diào)研。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)企業(yè)里有一種給抱箍套膠的手工勞動(dòng)，不僅需要大量人力，而且勞動(dòng)強(qiáng)度很高，同時(shí)也會(huì)因?yàn)槭侨斯げ眉裟z條的問題造成膠套長(zhǎng)短不均勻。

但目前國(guó)內(nèi)外還沒有這種給抱箍套膠的全自動(dòng)裝配流水線機(jī)械設(shè)備，所以經(jīng)過大量的實(shí)踐論證之后研發(fā)設(shè)計(jì)了一種抱箍膠套自動(dòng)化裝配的流水線設(shè)備。其中抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線設(shè)備的機(jī)械手由切斷機(jī)構(gòu)、夾取機(jī)構(gòu)、套膠機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。

1 機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)前面提到的問題，作為機(jī)械專業(yè)教師為了能夠解決企業(yè)面臨的問題，所以希望設(shè)計(jì)一款全自動(dòng)為抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備，能夠代替手工操作的機(jī)械設(shè)備，減輕對(duì)人體手指的傷害，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，同時(shí)也更能適應(yīng)目前機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的需要[2]。

在抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，多用途切斷、夾取以及套膠等環(huán)節(jié)機(jī)械手發(fā)揮了較大的作用，能夠幫助工人在危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行各種操作。結(jié)合目標(biāo)要求，該自動(dòng)化設(shè)備的思考與探索有：抱箍的大小型號(hào)有很多種，首先要滿足對(duì)膠條長(zhǎng)度的裁剪進(jìn)行控制；要解決把膠套裝套在抱箍上，需要設(shè)計(jì)一款剝膠和套膠裝置；要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，還需要設(shè)計(jì)一些PLC小程序來代替人工操作；利用氣動(dòng)裝置來配合自動(dòng)化操作等等。

1.2 機(jī)械手的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通氣動(dòng)機(jī)械手一般由執(zhí)行、驅(qū)動(dòng)、控制等機(jī)構(gòu)組成。

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由傳遞裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)以及末端操作器組成。

2）夾持部分。這是機(jī)械手的獨(dú)立的執(zhí)行部件，抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備的夾持部分采用絲桿和氣缸配合四連桿機(jī)構(gòu)控制手抓的加緊、釋放。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部，夾持式手部由手指（或手爪）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。由于抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備夾持的物件是相對(duì)比較平直的膠帶，所以，只需要設(shè)計(jì)成夾持式手部即可。

3）手臂。手臂在進(jìn)行伸縮或升降移動(dòng)時(shí)，為了使手臂在直線運(yùn)動(dòng)過程中不致發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以保證手部運(yùn)動(dòng)方向的正確性。所以這就需要導(dǎo)向裝置，同時(shí)在設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置時(shí)要考慮到實(shí)際載荷的大小，手臂長(zhǎng)度行程以及手臂安裝方式的影響[3]。

4）立柱。立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。

5）機(jī)座。機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在機(jī)座上，主要起支撐和連接的作用。

6）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般的常用的液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)，抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備機(jī)械手主要采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然在抓取膠帶部分另外設(shè)計(jì)了一個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的絲桿機(jī)構(gòu)配合氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

7）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)向機(jī)械手發(fā)出各種指令，讓其能夠再找要求完成各種任務(wù)的裝置。

8）檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置由安裝在氣缸缸體外壁的傳感器組成，傳感器檢測(cè)氣缸伸出桿的位置去完成前后氣缸的動(dòng)作順序，已達(dá)到所有機(jī)械手的配合，達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行的效果。

所以，抱箍裝配膠套的流水線機(jī)械設(shè)備為了達(dá)到設(shè)備的全自動(dòng)化運(yùn)行，根據(jù)抱箍膠套自動(dòng)裝配的工序流程，采取了如下措施：采用PLC控制膠條切斷機(jī)構(gòu)切斷膠條，由機(jī)械手抓取切斷的膠條進(jìn)入套膠機(jī)構(gòu)等待，同時(shí)輸送機(jī)輸送抱箍進(jìn)入設(shè)備，并由抱箍自動(dòng)取出機(jī)構(gòu)將抱箍放入“U”形凹槽，裝有抱箍的“U”形凹槽進(jìn)入套膠機(jī)構(gòu)，套膠機(jī)構(gòu)自動(dòng)將膠條套進(jìn)抱箍，完成套膠的抱箍由輸送機(jī)送出設(shè)備外部，全部動(dòng)作完成[4]。

如圖1所示膠條切斷機(jī)構(gòu)由膠條壓送滾筒（25）和切刀（21）組成。下壓氣缸左側(cè)的總機(jī)架中固定設(shè)置有斷料氣缸，總機(jī)架的下側(cè)固定設(shè)置有刀架導(dǎo)軌，斷料氣缸的伸縮桿下端固定連接有斷料刀架，斷料刀架滑行在所述的刀架導(dǎo)軌上，斷料刀架下端固定有斷料刀，斷料刀可將膠帶切割成所需長(zhǎng)度的膠套（3）。

所示伺服馬達(dá)可以根據(jù)抱箍大小調(diào)節(jié)膠條送入長(zhǎng)度并進(jìn)行切斷。膠條切斷機(jī)構(gòu)采用三菱PLC控制機(jī)械手，當(dāng)抱箍套上以后電機(jī)正轉(zhuǎn)，夾取膠條，機(jī)械手抓緊之后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，根據(jù)抱箍大小調(diào)整回縮的長(zhǎng)度，當(dāng)電機(jī)停止后，切刀伸出切斷膠條。

如圖2所示夾取機(jī)構(gòu)由氣缸（35）、連桿（34）、連桿接頭（32），雙搖桿機(jī)構(gòu)（31）、膠條支撐導(dǎo)軌（33）組成。膠套擴(kuò)張槽件右側(cè)的總機(jī)架上固定設(shè)置有膠套抓取機(jī)構(gòu)，膠套抓取機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)架及四連桿機(jī)械抓，四連桿機(jī)械抓的左側(cè)二連桿之間交叉軸接在所述移動(dòng)架的左端，四連桿機(jī)械抓的右側(cè)二連桿的右端分別軸接有開合連桿上，開合連桿活動(dòng)設(shè)置在移動(dòng)架中，開合連桿的右端與移動(dòng)架的右端之間設(shè)置有機(jī)械抓開合氣缸；移動(dòng)架的下側(cè)固定有限位滑條，限位滑條活動(dòng)在總機(jī)架上側(cè)的限位滑槽中；移動(dòng)架的右端與其相對(duì)應(yīng)的總機(jī)架之間設(shè)置有移動(dòng)架平移氣缸。連桿機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確的對(duì)已切斷的膠條進(jìn)行抓取，并拖動(dòng)到套膠位置。

如圖3所示套膠機(jī)構(gòu)由下頂氣缸、下壓氣缸，抱箍支撐架（11），下壓模（12）組成，而整個(gè)機(jī)構(gòu)均安裝在整體機(jī)架（1）上，下頂氣缸安裝在氣缸支架上（17）。碰撞式裝配機(jī)構(gòu)后側(cè)的總機(jī)架中設(shè)置有輸出機(jī)構(gòu)，輸出機(jī)構(gòu)包括輸出動(dòng)力及抱箍接送叉，碰撞式裝配機(jī)構(gòu)后側(cè)的總機(jī)架上固定設(shè)置有叉架限位滑條，叉架限位滑條中活動(dòng)設(shè)置有叉架移動(dòng)件，叉架移動(dòng)件的前側(cè)固定設(shè)置有抱箍接送叉，抱箍接送叉為左右兩條；叉架移動(dòng)件的后端與所述相對(duì)應(yīng)的總機(jī)架之間設(shè)置有叉架伸縮氣缸。

該抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線機(jī)械設(shè)備（如下頁圖4所示：A為前，B為后，C為左，D為右，1為總機(jī)架，2為電腦程序控制臺(tái)）的最終效果是，節(jié)約抱箍上膠套的大量人工，降低抱箍上膠套的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PLC全自動(dòng)控制。這種抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線，包括抱箍、膠套、碰撞式裝配機(jī)構(gòu)、斷料擴(kuò)張機(jī)構(gòu)、膠套抓取機(jī)構(gòu)、抱箍輸入機(jī)構(gòu)、移動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)及輸出機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)分別安裝在總機(jī)架上，并由電腦程序控制臺(tái)自動(dòng)控制，抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線還包括各種氣缸，各種氣缸包括一端活動(dòng)設(shè)置的氣壓伸縮桿；其特征在于碰撞式裝配機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在下側(cè)的上頂裝配架及設(shè)置在上側(cè)的下壓裝配件，上頂裝配架與下壓裝配件之間的總機(jī)架上固定設(shè)置有膠套擴(kuò)張槽件，膠套擴(kuò)張槽件為左小右大，膠套擴(kuò)張槽件的前后之間設(shè)置有抱箍上頂孔；上頂裝配架活動(dòng)設(shè)置在前后平移架中，前后平移架活動(dòng)設(shè)置在總機(jī)架下側(cè)的前后平移滑條中，前后平移架與所述的上頂裝配架之間設(shè)置有抱箍上頂氣缸，前后平移架與其后側(cè)的總機(jī)架之間設(shè)置有前后平移氣缸；下壓裝配件固定設(shè)置在下壓滑架中，總機(jī)架下側(cè)固定設(shè)置有下壓限位滑條，下壓滑架活動(dòng)設(shè)置在所述的下壓限位滑條中。

2 研制過程

由于該自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)團(tuán)隊(duì)由指導(dǎo)老師和學(xué)生組成，教師和學(xué)生都是來自學(xué)校機(jī)電學(xué)院的教師和學(xué)生，所以在此次抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線設(shè)備的機(jī)械手過程中，專業(yè)教師帶領(lǐng)幾名研發(fā)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生，研發(fā)設(shè)計(jì)了該自動(dòng)化設(shè)備，抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線設(shè)備的機(jī)械手，之后又通過專業(yè)軟件SolidWorks設(shè)計(jì)實(shí)體造型，CAD軟件出圖，機(jī)床加工零件，然后外協(xié)進(jìn)行零件的熱處理，零部件安裝成型，設(shè)備整體安裝，最后由校企合作企業(yè)配合配套的PLC整體設(shè)計(jì)，加裝自動(dòng)化控制程序和人機(jī)互動(dòng)觸摸屏，最終順利完成抱箍膠套自動(dòng)化裝配的流水線設(shè)備的安裝。

經(jīng)過抱箍膠套自動(dòng)化裝配的流水線設(shè)備一段時(shí)間的試運(yùn)行，以及設(shè)備的驗(yàn)收投產(chǎn)，總結(jié)了抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線的創(chuàng)新性有以下四個(gè)方面：

1）自動(dòng)化控制。該產(chǎn)品利用PLC自動(dòng)控制程序，結(jié)合氣動(dòng)操作，可以實(shí)現(xiàn)按鈕操作的自動(dòng)化控制。不需要像傳統(tǒng)工藝那樣，人力裁剪、剝膠、套箍等，節(jié)約了不少的人力物力。

2）適合各種大小型號(hào)的抱箍。通過調(diào)整程序的簡(jiǎn)單參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)膠套長(zhǎng)度的控制。這樣便可以對(duì)不同型號(hào)大小的抱箍進(jìn)行套膠。

3）安全性。該裝置采用程序控制，只需在操作面板上進(jìn)行按鈕操作，即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)膠、裁剪、移位、套膠等的一些操作動(dòng)作，不需要人工裁剪，也不需要人工剝膠套膠等，不會(huì)對(duì)手指造成損傷，相對(duì)比較安全。

4）便捷性。流水線作業(yè)，PLC氣動(dòng)控制，通過參數(shù)設(shè)置，能很好地適應(yīng)各種型號(hào)抱箍的套膠動(dòng)作，打破了傳統(tǒng)的手工操作，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

作為學(xué)校機(jī)電學(xué)院機(jī)械專業(yè)的中職專業(yè)教師，一直在探求設(shè)備智能制造上的創(chuàng)新，立足于改善生活生產(chǎn)中的不足，希望能借助職業(yè)教育的資源力量和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更多地為本地企業(yè)做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

本次抱箍膠套自動(dòng)化裝配流水線機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要的特點(diǎn)有：貼近生產(chǎn)實(shí)際，具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值；設(shè)計(jì)中有獨(dú)特新穎之處，且已向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了專利；具有技術(shù)先進(jìn)性，秉承機(jī)電一體化的先進(jìn)制造理念，融合了軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、PLC控制技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)加工等各方面技術(shù)；體現(xiàn)了較強(qiáng)的專業(yè)性，貼近生產(chǎn)實(shí)際，自動(dòng)化控制有效地替代了手工操作，要求操作人員具備基礎(chǔ)的機(jī)電專業(yè)操作知識(shí)與技能；整套產(chǎn)品完整齊全，產(chǎn)品美觀實(shí)用。全套的CAD圖紙和三維模型均已成型，專利證書也正在申請(qǐng)中，意向合作企業(yè)的產(chǎn)品也已推廣使用，反饋良好。