全自動管件打磨機器人設計與開發

周曉曉，陳湘尹，馮 凡

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學院，廣東東莞 523808）

0 引言

目前，在大多數的高層建筑物中，通常使用PVC 材料制成的下水管道，在高層建筑物中，由于無支管排水管道，如果管道底部堵塞就會產生較大水壓，采用傳統的連接，連接處往往很容易漏水，甚至爆開。

管件在加工過程中，都需要通過管件打磨機將管件的端部進行打磨作業，這樣能夠提高管件的穩定性能。但現在均是采用人工打磨方式對管件的端部進行打磨，這樣的打磨方式效率不高，表面質量一致性差，且高強度的打磨操作致使工人手臂酸痛，生產安全系數低，打磨過程中產生的金屬粉末對人體健康造成不良影響[1]。為解決上述問題，國內外學者在打磨機器人研究領域取得了一些研究成果，Peng Li[2]設計了一種用于裝飾品木箱表面打磨的機器人系統，該系統由機械手抓取機構和木箱放置機構和砂紙帶打磨機構組成；蕪湖新興鑄管有限責任公司基于鑄件葉片表面毛刺的清理，研制了高速清理葉片表面的機器人磨拋設備[3]；張一然[4]以碳纖維復合材料為研究對象，研發了基于被動柔順控制模式的專用打磨末端執行器。

本文為解決企業打磨過程中自動化程度低等生產問題，基于管件加工生產線對管件內孔、外圓的打磨關鍵技術進行研究。結合現有不足，設計開發了一種全自動管件打磨機器人，有助于提高管件加工行業的自動化水平，推動全機械化社會的進程，改善人民的生活質量，實現更高水平更高質量的發展。

1 總體設計方案

本文設計的全自動管件打磨機器人，包括加工臺、安裝在加工臺上的定位承料裝置、設置在加工臺內并且用于驅動定位承料裝置在加工臺頂部移動的承料驅動裝置和安裝在定位承料裝置輸出端處的去毛刺裝置，如圖1所示。設計加工臺為矩形中空結構，定位承料裝置包括安裝在加工臺頂部的承載部件和固定設置在承載部件頂部用于裝載若干待加工管件的承料架，承料驅動裝置包括設置在加工臺內間隙移料部件和用于驅動間隙移料部件在加工臺上移動的承料驅動部件，加工臺的頂部設有供間隙移料部件作業的第一通槽，間隙移料部件穿過第一通槽與承載部件傳動連接，去毛刺裝置包括設置在加工臺頂部的限位承載部件和安裝在限位承載部件頂部用于驅動待加工的管件進行去毛刺作業的旋轉摩擦部件。

圖1 管件的加工制備機的立體結構示意圖

加工臺內設有沿著加工臺的長度方向向外設置的第一容納腔，加工臺的側部設有能夠打開的側門，第一容納腔的側壁上設有供承料驅動部件安裝的支撐板，支撐板呈水平狀態設置。

如圖2所示，承載部件包括兩個對稱安裝在加工臺頂部的第一導軌[5]，每個設計的第一導軌上均套設有第一滑塊，第一通槽位于兩個第一導軌之間，第一導軌沿著加工臺的長度方向延伸設置，每個第一滑塊均能夠安裝在第一導軌上。

圖2 管件的加工制備機的俯視圖

圖3 圖2中沿A-A線的剖視圖

設計承料架為矩形框架結構，承料架上沿著加工臺的長度方向設有若干等間距設置的用于儲存待加工管件的儲料槽，每個儲料槽的側壁上均設有第二通槽，每個第二通槽均沿著加工臺的寬度方向貫穿儲料槽，承料架的底部設有限位板，限位板上沿著加工臺的長度方向設有若干等間距設置的凹槽，在工作狀態下，間隙移料部件能夠作用于凹槽。

限位承載部件包括安裝在加工臺頂部且位于承料架輸出端處的承載組件、安裝在承載組件上且能夠沿著加工臺的寬度方向移動的承載滑動組件和安裝在加工臺頂部用于驅動承載滑動組件沿著寬度方向的限位驅動組件，設計的旋轉摩擦部件[6]包括安裝在承載滑動組件上的旋轉定位組件和能夠轉動的安裝在旋轉定位組件上的摩擦組件。

間隙移料部件包括安裝在加工臺內且位于第一容納腔的頂部的限位移動板和安裝在限位移動板內的限位滑動塊，限位移動板靠近第一通槽的一側設有供限位滑動塊移動的滑動槽，滑動槽的豎直截面為凸字型結構，限位滑動塊能夠沿著加工臺的長度方向移動。

限位滑動塊靠近第一通槽的側壁上設有插播塊，插播塊通過定位螺栓能夠活動的安裝在限位滑動塊上，限位滑動塊靠近第一通槽的另一端與承料驅動部件傳動連接。

承料驅動部件包括安裝在支撐板上的驅動組件、安裝在驅動組件旁側的聯動組件和安裝在聯動組件與限位滑動塊之間的連桿部[7]，聯動組件與驅動組件傳動連接。

圖4所示為管件的加工制備機的局部立體結構，驅動組件[8]包括安裝在支撐板頂部的驅動電機，驅動電機的主軸上安裝有第一皮帶輪，聯動組件包括聯動機、聯動機的傳動軸，且靠近第一皮帶輪的一端設有第二皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶連接，連桿部包括第一連桿和第二連桿，第一連桿的一端與限位滑動塊傳動連接，第二連桿的一端與聯動機遠離第二皮帶輪的傳動軸傳動連接，第一連桿與第二連桿靠近的一端鉸接。

圖4 管件的加工制備機的局部立體結構

承載組件包括兩個對稱設置的第二導軌，每個設計的第二導軌上均設有若干等間距設置的螺紋孔，每個第二導軌通過若干螺栓固定安裝在加工臺上，限位驅動組件設置在兩個第二導軌之間。

承載滑動組件包括同時安裝在兩個第二導軌上的承載滑動板，承載滑動板的底部的兩端分別承載卡接塊，兩個承載卡接塊與兩個第二導軌一一對應。

設計的旋轉定位組件包括安裝在承載滑動板頂部的承載圓柱和安裝在承載圓柱上的鉸接部，承載圓柱呈豎直狀態安裝在承載滑動板上，鉸接部為圓柱形結構的鉸接塊，鉸接塊上設有呈矩形結構的第三通槽，第三通槽沿著加工臺的寬度方向貫穿鉸接塊。

摩擦組件包括承載彎柱和安裝在承載彎柱端部的摩擦塊，承載彎柱能夠轉動安裝在鉸接塊內，承載彎柱呈倒置的L 型結構，摩擦塊靠近承載彎柱的端部與承載彎柱鉸接[9]。

2 關鍵部件設計

根據工作流程與技術要求，下面對管件的加工制備機的關鍵部件進行設計。總體設計以合理、緊湊、實用為前提，提高設備的穩定性、工作效率和動作連貫性[10]。

2.1 定位承料部件設計

如圖5所示為定位承料裝置的立體結構示意圖，加工臺內設有沿著加工臺的長度方向向外設置的第一容納腔，加工臺的側部設有能夠打開的側門，第一容納腔的側壁上設有供承料驅動部件安裝的支撐板，支撐板呈水平狀態設置，第一容納腔的設置滿足了對間隙移料部件和承料驅動部件的安裝作業，滿足對承料架上的若干待加工的管件進行移料作業。

圖5 定位承料裝置的立體結構

承載部件包括兩個對稱安裝在加工臺頂部的第一導軌，每個第一導軌上均套設有第一滑塊，第一通槽位于兩個第一導軌之間，第一導軌沿著加工臺1 的長度方向延伸設置，每個第一滑塊均能夠拆卸的安裝在第一導軌上，兩個第一導軌的設置能夠實現對承料架的承載作業，進而能夠實現將若干管件傳送至旋轉摩擦部件的位置，滿足對管件的打磨作業。

承料架為矩形框架結構，承料架上沿著加工臺1 的長度方向設有若干等間距設置的用于儲存待加工管件的儲料槽，每個儲料槽的側壁上均設有第二通槽，每個第二通槽均沿著加工臺的寬度方向貫穿儲料槽，承料架的底部設有限位板，限位板上沿著加工臺的長度方向設有若干等間距設置的凹槽，每個凹槽，在工作狀態下，間隙移料部件能夠作用于凹槽，若干儲料槽的設置能夠滿足對若干管件的儲放作業，可一次儲放多根管件準備進行打磨，節省了人力，提高了作業效率，承料架底部的限位板的設置能夠實現與間隙移料部件的傳動作業，進而實現對承料架的驅動作業。

間隙移料部件包括安裝在加工臺內且位于第一容納腔的頂部的限位移動板和安裝在限位移動板內的限位滑動塊，限位移動板靠近第一通槽的一側設有供限位滑動塊移動的滑動槽，滑動槽的豎直截面為凸字型結構，限位滑動塊能夠沿著加工臺的長度方向移動，限位滑動塊的設置能夠滿足對限位板的驅動作業，驅動方式能夠滿足對若干管件的驅動作業，使得承料架可以沿著加工臺的長度方向移動，將儲放的管件一一打磨，實現了對管件端部的打磨作業。

限位滑動塊靠近第一通槽的側壁上設有插播塊，插播塊通過定位螺栓[11]能夠活動的安裝在限位滑動塊上，限位滑動塊靠近第一通槽的另一端與承料驅動部件傳動連接，插播塊的設置能夠滿足對限位板的插播配合，在限位滑動塊驅動限位板時起到緩沖，起到延伸作業空間的作用，進而能夠實現對承料架驅動作業。

2.2 承料驅動部件設計

如圖6所示，承料驅動部件包括安裝在支撐板上的驅動組件、安裝在驅動組件旁側的聯動組件和安裝在聯動組件與限位滑動塊之間的連桿部，聯動組件與驅動組件傳動連接，通過驅動組件帶動聯動組件轉動，因為聯動組件與連桿部傳動連接，進而帶動連桿部轉動，實現了對整個承料架的驅動作業。

結合圖5和圖6，驅動組件包括安裝在支撐板頂部的驅動電機，驅動電機的主軸上安裝有第一皮帶輪，聯動組件包括聯動機，聯動機的傳動軸且靠近第一皮帶輪的一端設有第二皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶連接，連桿部包括第一連桿和第二連桿，第一連桿的一端與限位滑動塊傳動連接，第二連桿的一端與聯動機遠離第二皮帶輪的傳動軸傳動連接，第一連桿與第二連桿靠近的一端鉸接，通過驅動電機帶動第一皮帶輪轉動，因為第一皮帶輪和第二皮帶輪傳動連接，實現了承料架的驅動作業，滿足了對若干管件的驅動作業。

圖6 承料驅動裝置的立體結構

2.3 去毛刺部件設計

限位承載部件包括安裝在加工臺頂部且位于承料架輸出端處的承載組件、安裝在承載組件上且能夠沿著加工臺的寬度方向移動的承載滑動組件和安裝在加工臺頂部用于驅動承載滑動組件沿著寬度方向的限位驅動組件，旋轉摩擦部件包括安裝在承載滑動組件上的旋轉定位組件和能夠轉動的安裝在旋轉定位組件上的摩擦組件，通過限位驅動組件帶動承載滑動組件移動，帶動了旋轉定位組件和摩擦組件移動，滿足對管件的端部進行打磨作業。

圖7所示為加工臺和去毛刺裝置[12]的立體結構示意圖，承載組件包括兩個對稱設置的第二導軌，每個第二導軌上均設有若干等間距設置的螺紋孔，每個第二導軌通過若干螺栓固定安裝在加工臺上，限位驅動組件設置在兩個第二導軌之間，兩個第二導軌的設置能夠滿足對承載滑動組件的安裝作業，實現了對摩擦組件和旋轉定位組件的驅動作業。

圖7 加工臺和去毛刺裝置的立體結構

承載滑動組件包括同時安裝在兩個第二導軌上的承載滑動板，承載滑動板的底部的兩端分別承載卡接塊，兩個承載卡接塊與兩個第二導軌一一對應，使得承載滑動板及安裝在上面的組件可以穩定作業，不會發生松動，移位的現象，兩個承載卡接塊和兩個第二導軌的配合，實現了對承載滑動板的安裝作業，對旋轉定位組件和摩擦組件均實現安裝作業。

如圖8所示，旋轉定位組件包括安裝在承載滑動板頂部的承載圓柱和安裝在承載圓柱上的鉸接部，承載圓柱呈豎直狀態安裝在承載滑動板上，鉸接部為圓柱形結構的鉸接塊，鉸接塊上設有呈矩形結構的第三通槽，第三通槽沿著加工臺的寬度方向貫穿鉸接塊，鉸接塊的設置能夠滿足對摩擦組件的安裝作業。

圖8 去毛刺裝置的立體結構一

如圖9所示，摩擦組件包括承載彎柱[13]和安裝在承載彎柱端部的摩擦塊，承載彎柱能夠轉動安裝在鉸接塊內，承載彎柱呈倒置的L 型結構，摩擦塊靠近承載彎柱的端部與承載彎柱鉸接，承載彎柱的設置能夠滿足對摩擦塊的安裝作業。

圖9 去毛刺裝置的立體結構二

3 結束語

本文提出的一種全自動管件打磨機器人，當需要對待加工的管件進行加工作業時，首先通過承料驅動部件驅動間隙移料部件在加工臺內移動，實現對承料架的移動作業，將若干待加工的管件依次向前傳送，再通過限位承載部件在加工臺上的位置發生改變，再通過旋轉摩擦部件實現對待加工的管件進行端部打磨作業，通過自動化的移料和打磨作業，節省了作業時間，相對于人工的打磨，大大提高了作業的效率，也減少了人力和物力的浪費。