汽車鈑金零部件下料機械手爪的模塊化設計方法研究

庾 鵬

(馬鞍山理工學校，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著中國沖壓技術發展，沖壓系統在機械加工制造中比重不斷發展。伴隨著沖壓市場的發展，沖壓工人生產工藝還在隨時變化。隨著生產工藝的智能化加強，傳統的人工進給方法已經在速率和精密度方面出現了明顯的落后，全自動進給構造慢慢替代了傳統人工進給。現階段，完成生產經營活動不再期待很多人力資本，傳統的依靠勞動力增加生產的時代已經過去，已經逐漸轉變成為了技術生產。在未來的沖壓工藝的發展中，將會由先進的自動化技術沖壓占據主要地位。

沖壓生產線雖然僅僅占不到全工藝制造的%10，但是這條工藝線仍然是企業制造的核心生產線之一，90%之上時間也用以裝卸搬運原料、搬運工、等候供貨。因而，企業的設計師一般依據原料生產線的原料供貨步驟開展設備自動化改造，并實現高效率的原料供貨生產線效率和生產效率。在服務機器人和環境互動最后的一環，積極鑒別工作環境數據的是感應器，是最后實行，其方案設計立即取決于工業機械手工作特點。文中依據車輛鈑金零件生產線的實際需要，對于日常光纖激光切割的具體每日任務，在分析夾裝總體目標的前提下，研發了工業機械手持終端機，實現了生產線上不一樣工件光纖激光切割，并且通過實驗驗證了其可靠性。

1 自動化沖壓生產線的對比

1.1 傳統沖壓生產線

在傳統沖壓生產線中，工件轉動工藝的實現主要是依靠于機械臂組裝，對機械臂實現動力控制的是沖壓機，通過幾臺單功效機械壓力機來完成生產加工工位的控制。這類裝卸搬運方式是設備和人工結合的，是半自動化生產流水線。目前我國絕大多數沖壓公司也是通過這類方式完成制造的，這是一種比較傳統機器生產方式。

1.2 柔性自動化送料

在多工位的運送工藝和機器人的系統中間，設置有柔性的自動化送料裝置，該送料裝置簡單、方便、高效率。此外，該系統不可以用以同一批號、同一生產加工方式的生產線里的多種產品、少許新產品的生產制造。

1.3 多自由度送料機器人

穿梭式作為目前工藝上比較常用的生產線，中國的工藝生產也多數是采用該種自動輸送系統軟件。這類方式可靠性技術高，但選購機器人成本也很高，價格比較貴稍等，所以只好用以大中型沖壓領域。

1.4 快速送料機械手

在目前的生產線中，多數的沖壓公司都開始逐漸在實際生產中應用快速送料機械手，該送料方式不僅有比較廣闊的使用范圍，而且其實際的工作效率也相對較高，合乎我國具體創新需要。可是，這種機器人多從海外買到的，價格比較貴，維護保養不便。

設備能夠快速拆卸，但滾輪上固定支架，會影響到在使用過程中的設備安全可靠性。為了保證機械裝置力學結構平衡，可以選擇在目標物件上尋找合適的重心點，以便于進行工件抓取。

2 抓取方案研究

2.1 抓取工件分析

通過圖1可以看到，在當下的車輛鈑金零件生產過程中，主要有三種不同的工件。目標工件的不同，所需要的抓取機械爪的樣式也會有所不同，當下的設計目標主要是根據自動給料的需求，進行全面的設計，不僅要能夠確保在工作過程中的給料平穩，還要保證能夠準確地抓取三種工件。

剖析三種工件的表面傾斜度，得到工件1有兩種比較大的類似平面，可作為夾持平面。2工件有平整度好、可作為夾持平面的兩大區域，3工件表面繁雜，折射率差異大，但一些一部分表面平整度好，可作為夾持平面。表1為工件規格。

表1 工件規格

2.2 抓取方案

根據對三種工件的對比分析，不難發現工件的形態有很大的不同。怎樣用設備手指甲把握住這三種工件，是手指甲設計里最大的難題。分析表明，三種工件有許多相同點。是薄板構造的鈑金零件。有可作為工件品質更較輕夾持平面圖所使用的平面圖。依據那些特點，確定應用磁性吸咐夾持3種工件。除此之外，機械手還擔任了多種功能，一是在走刀的工藝流程中，需要對工件實行抓取，二是在到達料盒部位時，停止對工件的抓取并釋放，因此，目前的工藝流程中，通常都是選擇電磁感應卡盤來作為機械手執行。此外，因為電磁感應卡盤與工件的接觸是面接觸，因而工件的品質較輕。為了能讓機械手的框架剪力墻更為簡約，有益于工件的分割實際操作，文中在夾持方式上選用二點夾持方法。但是由于智能機器人聲卡機架上2個抓取點間的距離有固定的，因此主要的難點便是如何精確找出抓取點。

首先是需要對目標抓取工件進行一個抓取中心點的確定，這樣有助于在抓取過程中實現力學平衡，從而能夠精確地實現抓取工作，保證生產的安全性。

3 機械手爪結構設計

根據對抓住物件的解讀，本文是選用模塊化觀念制定了機械手爪的構造(按照圖2)。制定的機械手爪一般包含四個模塊，分別是抓取的位置調整、抓取過后的反饋、抓手抓取和真空模塊。

3.1 抓取單元模塊

目前的工藝中所采用的都是金屬制造的工裝夾具，因此電磁感應液壓卡盤和工裝夾具和工件一起產生作用。通常在實際生產中，會在吸附設備上增強了真空吸附設備，從而能夠保證工件的夾緊，提升了夾緊模塊控制模塊對工件的吸附力，能夠擺脫工裝夾具。夾緊模塊控制模塊由電磁吸盤、真空吸盤和接近開關組成。如下圖3所顯示。

為了方便真空吸盤和電磁吸盤的相互融合，電磁吸盤設計成中空結構，其中真空吸嘴的孔徑D為15mm，同軸線安裝于電磁閥的空心一部分，真空吸嘴的最高面比電磁閥的下表面低2mm。真空吸嘴在軸往上具備彈簧結構，與工件觸碰時更密切觸碰工件表面，保證真空吸附墊的吸附品質。真空吸附力F在真空壓力為80kPa時，測算如下所示。

因而，根據上面的公式計算，理論上每一個單元模塊能夠為系統貢獻84N，而在實際工藝流程中使用了兩個單元模塊，故總貢獻為168N，但工件最大的凈重為11N上下，安全性能比較高。接近開關坐落于電磁鐵吸盤外圓上，開關的作用主要是當目標的工件觸發到開關時，會向外傳遞出一個反饋，從而造成上拉電阻；當夾持單元模塊離去工件時，會帶來低電頻。

3.2 手爪框架模塊

作為機械手的主體工程，手執架構模塊帶來了2組手執模塊的機械安裝端口和電連接端口，來作為機械抓手的前端安裝位置，并根據后續的設計計劃方案，確定出抓取單元模塊的插口距離。

3.3 姿態微調模塊

因為各產品工件挑選的兩個夾持平面圖存有細微的角度差，為了能讓夾持模塊模塊更好地線性擬合夾持平面圖v，必須在夾持模塊模塊中加入姿勢調整模塊。姿勢調整模塊選用徑向關節軸承，其兩側裝到滾子軸承內，根據滾子軸承固定不動手中的架構模塊上，夾持模塊模塊根據精準定位螺帽固定于徑向軸承的內孔上。剖析結果顯示，選定的三組夾持平面圖較大交角為10，徑向關節軸承拐角可以達到12之上，足夠達到目前夾持規定。為了保證夾持的穩定，提升徑向關節軸承旋轉阻尼，可以選擇將阻尼潤滑油脂涂抹在滾動軸承上。阻尼脂具備出色的潤濕性、可靠性、機械穩定性、出色的緩沖、緩沖、防潮、減震特性。

3.4 抓取反饋模塊

在實際的模塊設計中，一般是選用傳感器和信號處理器來共同組成反饋模塊，其工作原理是當工件被加緊時，當裝置車床卡盤貼近工件做到一定距離時，傳感器會向外發送高電平信號，從而使得信號處理模塊能夠得到觸發信號，進一步的觸發繼電器和電磁閥的工作。并給予一定的夾持力，以此來實現工件的夾持。此外，根據把握住反饋模塊，可以隨時監控工件原材料的投入整個過程，精確的抓取反饋后面情況及工件有沒有被正常的夾持運動；工件是不是爆出；工件放置是否成功。

3.5 真空模塊

該模塊是由繼電器、真空發生器和空氣過濾網所組成，可以借助工廠內空氣動力裝置，為真空吸吊機的正常運轉給予工作環境。

4 機械方案的設計

機械臂的機械系統主要包含：最先，主體工程由鋁板和鋁合金型材做成；次之，在鋁板上組裝30個真空卡盤，在不同真空卡盤上設定控制電路，吸咐產品工件尺寸，完成工作上真空卡盤的數量調整；第三，x軸傳動系統為皮帶傳動，主要是由左右二級構成，由直線滑軌正確引導，伺服電機驅動。y軸推動為絲杠驅動，螺帽固定不動，絲杠逐漸挪動，設計方案行程安排500mm，壓力機下料期為4s，下料時間緊迫。在規劃環節中，必須符合機械臂在4s內從壓力機外界進到吸咐部位，將產品工件傳至壓力機的需求。

5 末端執行模塊的設計

一般工業機械手的尾端執行器依據夾緊基本原理可以分為夾緊法和吸附式。文中制定了一種適用于板才全自動上料的機械手。因為板材樣子為平面圖直板橫打，十分不益于夾緊式機器人尾端機械手。吸附式機械手的特征能夠滿足大中型平面圖一個物體必須，金屬片的平面圖直板橫打樣子能夠滿足這類需求。因而，本文在研究過程中，主要是選用吸附式機械手來作為機械手的末端執行器。目前在實際應用中，吸附式末端執行器主要是有兩種不同的吸附原理，一種是利用氣體吸附法，二是利用磁石進行吸附。

第一種氣體吸附型末端執行器。工業上通常用該種吸附式末端執行器作為一種夾緊物件的機械裝置，該裝置一般是由進排放系統、吸盤支架和強力吸盤來組成。其工作的原理主要是利用氣壓差來實現工件的吸附。進氣口方便使用，重量較輕，無空氣污染，機械設備結構緊湊。因為氣側吸末端執行器適合于非金屬材質，對被吸工件預訂運輸的位置偏差沒有要求，但要求被吸原材料整平光潔，被吸工件無漏汽、孔眼。

第二種磁性吸附式末端執行器。在實際工業作業中，磁吸末端執行器所吸物質的量不損傷，磁吸模塊總面積具備很大誘惑力。但是和呼吸式對比，磁吸式尾端執行器對吸附工件的外表粗糙度、埋孔和槽無特別要求，好于呼吸式尾端執行器。可是，有一些磁性機械手在吸引的工件被電磁閥吸附后也會產生磁損，吸附頭里的磁性碎渣會影響到機械手正常的姿勢等。此外，溫度是723之上時，鐵、磁等成分并沒有磁性，高溫環境不能得到磁吸吸引力。根據氣體吸附和磁性強力吸盤優缺點與實際工作性質，磁性吸附下手是本課題研究中機械手的控制技術手段。尾端執行器的構造。

6 手爪結構的設計

6.1 抓取單元模塊

因為工裝夾具由金屬材料做成，硬盤和工件在功效中與工裝夾具相互影響。為了保證夾持的穩定性，在電磁感應吸咐上增加海綿吸盤設備，會獲得夾持模塊對工件的吸附力，使與卡具分離出來。夾持模塊控制模塊主要包含接近傳感器、真空吸盤和電磁鐵吸盤。為了能合理融合真空吸盤和電磁鐵吸盤，電磁鐵吸盤選用中空總體設計，直徑32mm，公稱直徑16mm，吸附力80N。真空吸嘴的孔徑為15mm，安裝于電磁閥的空心一部分，與軸一樣，真空吸嘴的最高面比電磁閥的下表面低2mm。真空吸盤徑向有彈簧結構，在和工件觸碰的過程當中，會和其發生緊密的表面接觸，從而使吸附的效果能夠達到使用標準。當真空壓力為80kPa時，真空泵吸附力為14N，因而將一個夾持模塊控制模塊吸附力設成94N，主要是由2個夾持模塊所組成的手臂構造的總吸附力為188N，工件最大的凈重為11N，具有很高的安全性率。接近傳感器坐落于電磁感應液壓卡盤的外圍，接近傳感器的重要的作用是認知工件的出現從而形成意見反饋。

6.2 手爪框架模塊

手架模塊為機械臂的主體工程，具備2組夾持模塊機，各自作為電氣接口及安裝插口。除此之外，機械臂前面具備機械安裝構造，完成了抓取點對方案的挑選。夾持模塊的插口跨距設為180mm。

6.3 姿態微調模塊

因為不一樣工件上2個夾持平面圖間的角度差比較小，為了把夾持模塊與夾持平面圖融合，還需要增加工件的位置調整模塊，即通過加入徑向的關節軸承來實現工件的姿態調整，安裝于滾子軸承內，根據滾子軸承固定于手托模塊內。夾持模塊根據精準定位螺帽固定于徑向軸承內圓上，根據45號鋼里外圈的相對性轉動來調節視角。分析表明，所選用的三組夾持平面圖較大交角為10，徑向關節軸承拐角超過12，能夠滿足夾持規定。為了保證握柄的穩定，徑向關節軸承在轉動的時候會遭受阻尼，滾動軸承上有涂阻尼潤滑油脂。

6.4 抓取反饋模塊

在實際的模塊設計中，一般是選用傳感器和信號處理器來共同組成反饋模塊，在實際的工作過程中，當設備的車床卡盤貼近目標件時，傳感器會向外發出高電平信號，讓信號處理器得到工作信號，進而把握住工件。

7 總結

文中定制的機械爪已用于某公司防撬門鈑金生產物流線上，可以根據客戶規定完成迅速安裝，也可以實現不一樣規格型號鈑金加工廠機器人開發配置。除此之外，文中定制的機械臂穩定性高，能夠實現汽車鈑金零件生產過程中三種工件的激光切割工作中。以上模塊化方案設計和零件墜落工裝夾具在汽車鈑金里的運用，能夠為對應的工業化生產提供支持。