一種應對注塑機多穴模具的機械手設計

吳峻睿，吳錫圓，李 方，蔡金川

（東莞信易電熱機械有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

隨著我國制造業不斷蓬勃發展，人工成本不斷提高，制造業不可避免地開始使用各種機械設備來優化廠區工作環境及工作內容，使人們盡可能不處于對人體有害的環境進行工作，且使人力能減少一些可以由機械運動完成的簡單重復而又繁重的工作。而注塑行業為世界未來一大重要行業，其中使塑料件離開注塑機模具，到后期加工包裝這一步驟，是一個重要的組成部分。取出塑料件，這一動作簡單重復且繁重，而塑料件出模有可能仍處于較高溫狀態或其上帶酸堿性物質，使人力難于取出，令人工成本過高，且有害人體。現今隨著科技進步，注塑機模具已發展出一模多穴模具，而以往普通機械手由于精度不夠且穩定性不夠，從而無法滿足工作需求，無法長期穩定地取出該類產品。

從閆秀成等[1]所研究發明的一項實用新型裝置中了解到一種框架式機械手結構，此結構有利于提高機械手穩定性，可以使機械手獲得更高的精度及額定載重，使得機械手末端所配備的夾治具可以裝備更多的吸包夾等機構來抓取多穴產品；且擁有更高的精度來保證重復定位時可以偏差較小，不會發生較長時間使用時夾治具因定位不準確而碰撞模具的情況[2-3]。

而機械手臂問題可以使用一種雙截式設計，手臂上使用兩層型材，以線性導軌連接，以伺服電機帶動皮帶驅動，使得機械手臂在單層手臂較短的情況下獲得原來近兩倍行程，雙層結構有利于空間利用率變高[4]。

綜上，本文提出一種帶框架式懸臂、雙截式手臂的設計，應對于一模多穴對重復定位精度、穩定性、行程長等多種問題。而穩定性高時，可以支持更快的運行速度，有利于提高效率，且會更安全[5]。

1 設備設計

1.1 設備外形機構

設備外形機構如圖1所示。

圖1 機械手外形結構

（1）機械手橫走機構

機械手橫走機構如圖2所示。

圖2 橫走結構爆炸圖

（2）機械手懸臂

機械手懸臂機構如圖3 所示。圖中，機械手懸臂采用框架式雙懸臂結構以兩根懸臂梁（6）承重，相互間距放大，兩根線性滑軌（10）安裝于懸臂梁（6）上方，手臂裝于線性導軌（10）上。

圖3 懸臂結構爆炸圖

（3）機械手主臂

如圖4 所示，此手臂采用雙層結構，以電機（38）驅動手臂齒輪（2）來帶動皮帶使第一節型材（7）移動，第一節型材（7）移動會帶動皮帶夾板（28）及手臂固定齒板（25）使得第二節型材（18）移動，實現雙截同步移動，從而實現增大行程的效果[6-7]。

圖4 主臂結構爆炸圖

1.2 設備工作原理

這款機械手采用了三軸全伺服來驅動。分別是橫走軸、懸臂軸和主臂。所有伺服電機均使用匯川伺服電機。機械手運行就是靠伺服電機進行驅動，由于伺服電機能夠計算詳細的回轉圈數，所以可以計算出運動的距離，機械手的控制柜內是伺服模塊和運算基板，用于控制伺服電機的動作和計算相對位置[8-9]。

1.2.1 機械手運行方式

機械手運行主要有兩種方式，分別是手動操作和自動運行。

（1）手動操作。操作者可以選擇手動操作模式，對X、Y、Z各軸位置參數進行變動，進而使各軸達到操作者想要移動到的位置，還可以對C軸側姿組氣缸進行倒平、回正等操作。已達到方便機器調試，取放物品是進行對點位置操作。

（2）自動運行。對在教導程序里編好的運動程序的再現。在自動運行之前，需要在手動操作狀態下對機械手進行自由控制，完成對注塑機生產的產品取出的總體流程，再這些步驟全部寫入教導程序中。然后切換自動運行模式，選中想要運行的程序，按下啟動按鈕進行自動運行。機械手再現示教過程中的操作，若動作不正確，機器會發出警報。

1.2.2 機械手自動運行動作流程

機械手用在注塑行業，大體的動作流程都是一樣的。都是以快速合理取出產品為目的，把機械手與注塑機聯機，控制信號進行交互，協調好機械手與注塑機的動作，重復執行取出動作[10]。如圖5所示。

圖5 自動運行主要動作流程

2 機械手關鍵技術分析

本文主要探討框架式雙截機械手可以擁有更高的重復定位精度、穩定性及空間利用率，使得機械手可以應對多穴模具產品難以取出的問題；同時穩定性增強有利于增大機械手運行速度，可以減短機械手取出產品的運行周期，提高廠商工作效率，重復定位精度提高有利于保證產品脫模位置，使得產品不容易與模具產生過多摩擦，保證產品質量[11]。

2.1 框架式懸臂

如圖6 所示，采用雙懸臂梁（1、3）結構，兩條懸臂梁（1、3）分于主臂兩邊，中間有一定距離，懸臂梁（1、3）兩端有端蓋（5）連接支撐形成框架，對于單臂結構來說，兩邊支撐會比單邊支撐更穩定，使型材在其中減少一個方向的晃動。由于框架式懸臂結構需要兩懸臂梁之間分開一定距離，所以懸臂梁安裝板（4）一定會被放大，且兩邊懸臂梁（1、3）寬度厚度可以遠遠小于原來單臂懸臂梁，從而使懸臂梁安裝板（4）相對橫走重心會偏向橫走，而且當懸臂梁安裝板（4）更寬時，所能承受的運行時帶了的扭力也會更大會使框架式懸臂更穩定。線性導軌（2）安裝于兩條懸臂梁上方（1、3）可以使線性滑塊受力面減少，受力更平衡、更穩定，從而會增大滑塊壽命，同時也會使主臂更加穩定。

圖6 框架式懸臂結構

2.2 雙截式手臂

如圖7 所示，主臂連接板（3）為一塊整體的鋁鎂合金加工件，連接與懸臂梁上方線軌滑塊處，以一塊鋁鎂合金加工件與雙懸臂梁連接，可以減少主臂與懸臂間的堆疊公差，提高精度；同時手臂連接于U 字型主臂連接板（3）能加強手臂，使得手臂可以更大地承受前后移動所帶來的一定程度上的牽引力，大幅減少手臂左右以及前后搖晃，提高了穩定性及精度。以伺服電機（4）驅動第一節型材（1）移動為主驅動，帶動皮帶夾板及手臂固定齒板使得第二節型材（2）移動，實現雙截同步移動，可以實現增大行程并且減小機械手總高度的效果。

圖7 雙截式手臂結構

3 實驗測試

機械手重復定位精度測試主要是測量機械手末端各個方向每次自動運行相對于第一次運行的位移量來確定。而測量可以使用激光測距的方式測量機械手末端的位置，可以每隔30 min記錄一下測量數據。

3.1 空載測試

空載測試數據如表1 所示。由測試數據可知機械手空載運行時，重復定位精度在0.02 mm左右。

表1 空載運行

3.2 負載5 kg測試

在手臂末端的側姿組裝上5 kg 后，再自動運行，側臉測試數據如表2 所示。由測試數據可知機械手負載5 kg運行時，3個軸重復定位精度都在0.03 mm左右。

表2 帶負載運行

4 結束語

本文結合機械手的工作原理及符合國際規范的專業設計及先進的零件加工工法和核心材料的選用，實現了對提高機械手的精度、穩定性和高速運行的需求，減短循環運行周期，一定程度上保證產品質量的研究。

針對目前既有型式機械手還存在的重復精度差、穩定性低、運行速度慢及循環周期長等問題，設計并制作出一種具備高精度、高穩定性、高速機械手控制系統，使用新的框架式雙截手臂結構同時優化了機械手的結構復雜及結構強度低的問題，并有效減少整體手臂的安裝空間。

經科學試驗及面向使用者端的反饋表明：框架式雙截結構可以提高機械手的重復定位精度；優良的穩定性使得該結構可以承受高速運行，減少了循環運行周期時間。新的框架式雙截手臂結構達到了結構精簡、結構性強、使用空間小的設計目標。

綜合以上特點，面對使用者的研究及反饋，新的框架式雙截機械手比既有型式的機械手更加有效地應用于更高精度的模具或周期較短的注塑條件上，并能更加廣泛地應用在生產高度空間受限的生產場合。