基于工業機器人的配電柜主框架上下料爪手設計*

陳婉華

（1.閩北職業技術學院，福建 南平 353011；2.長泰職業技術學校，福建 漳州 363000）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，我國的制造業正向著智能制造業轉變[1]。近年來，工業機器人的應用普及，提高了各行各業的生產效率，特別在制造業的焊接、噴漆、裝配和搬運等工序中作用顯著[2-5]。工業機器人具有重復定位精度高、可靠性高、生產柔性化及自動化程度高等優勢，與人工相比，能夠極大地提高生產效率和產品品質。因此，實際生產流水線中，很多企業采用工業機器人代替人工裝配，提高了生產的安全性和工作效率。其中，爪手是安裝在工業機器人末端的執行器，與被抓取對象直接接觸，不僅要穩定抓取物件，而且不能對物件造成損傷。對于不同形狀物件，其爪手機構有所差異，因此設計合理的爪手機構是順利完成指定工序的前提。馬立軍[6]設計了一條多品種低壓開關設備混線生產的自動生產線，解決柜體裝配方式效率低和裝配工序勞動強度大等問題，能夠在不停機的情況下實現四大類低壓開關設備的裝配能力，改變了低壓開關設備傳統的“垂直”作業方式，實現在“水平”旋轉下安全、高效進行柜體裝配作業。王德佳[7]探討機械人在組裝生產線中的最佳配置，得出在考慮生產成本、產品質量等因素的情況下，采用人機混合配置的半自動化組裝作業效果最佳。任軍輝等[8]基于UG對機器人末端執行器進行設計和運動仿真，設計了一款爪手位置角度可調的工業機器人爪手，結果表明，該工業機器人爪手結構緊湊，爪手角度調節方便，可以抓取多種形狀物體。孫庭偉[9]設計了一款適配多尺寸缸筒的機器人爪手機構，能夠抓取多種規格的缸筒零部件，實際驗證表明，該機器人爪手機構工作具有良好的可靠性。

本文設計一種適用于不同規格尺寸配電柜主框架上下料的爪手機構，通過在工業機器人末端增加氣動磁性吸盤的方式，實現配電柜主框架快速、穩定抓取，提高框架裝配的工作效率和產品質量，為升級自動化和無人化裝配提供一種多功能爪手機構的技術方案。

1 配電柜主框架結構尺寸

1.1 裝配要求

該工業機器人爪手的抓取對象是配電柜主框架，對主框架裝配的形位公差要求[10]：1）裝配好后的A面框架與B面框架對角誤差為±1.5 mm；2）連接桿的直線度為≤0.3 mm/m；3）裝配好的各連接桿銜接處位置度公差為±0.5 mm。

1.2 配電柜主框架結構

根據實際需要裝配某配電柜的主框架，該主框架主要由A面框架、B面框架以及連接桿等組成。其結構尺寸示意圖，如圖1所示。

圖1 配電柜主框架結構尺寸示意圖

2 配電柜主框架上下料爪手設計

2.1 上下料爪手總體設計方案

為了實現配電柜主框架的自動化上下料，根據不同規格尺寸配電柜的主框架，設計了抓取主框架的上下料爪手機構，主要包括爪手主體、機器人連接法蘭和氣動磁性吸盤等，并將爪手機構裝配在FANUC 6軸關節機器人末端執行部件上，此機器人內置iRVision智能視覺系統和機器人安全策略系統等。工業機器人爪手的主要作用是從物料架上抓取A面框架、B面框架，并將其運送至指定位置進行壓裝。氣動磁性吸盤的主要作用是采用磁力吸附的方法，抓取不同規格尺寸配電柜的主框架，并且能夠實現穩定及無夾痕抓取，提高工作效率及產品裝配質量。應用SolidWorks 2016軟件對配電柜主框架的上下料爪手機構進行整體結構設計，其示意圖如圖2所示。

圖2 配電柜主框架的上下料爪手機構示意圖

2.2 關鍵零部件設計及選型

工業機器人、爪手主體和物料拾取器是上下料爪手機構設計的關鍵零部件。結合抓取配電柜主框架的實際需求，本文工業機器人選用FANUC Robot R-2000iC/165F（上海發那科機器人有限公司），該設備主要參數：控制軸數為6軸、可搬運質量為165 kg、重復定位精度為±0.2 mm。該設備的優點：可實現柔性化智能生產，能夠通過機器人視覺提高識別物料的準確率，留有可擴展性接口供用戶使用等。物料拾取器選用氣動磁性吸盤SGM-70（穆澤工業控制系統（上海）有限公司），該部件主要參數：處理器速度為36 V，功率為85 W，吸力為290 N。該部件的優點：帶有磁性夾具，用于處理配電柜主框架帶孔的金屬板；利用永磁吸取磁性工件，安全可靠；結構緊湊，安裝便捷等。

爪手主體及連接法蘭是工業機器人爪手機構的基礎部件，為其他零部件裝配提供支撐和連接作用。其中，連接法蘭一端連接爪手主體，另外一端連接工業機器人第6軸的末端，采用8個M10螺栓連接固定，確保爪手主體和工業機器人的裝配相對緊固。爪手主體選用Q235鋼通過焊接而成，形狀近似U型切槽，既能夠滿足抓取不同規格尺寸框架的要求，又能保證爪手主體的強度載荷。工業機器人及連接法蘭實物圖，如圖3所示。

圖3 工業機器人及連接法蘭實物圖

2.3 工業機器人智能視覺系統及安全系統

上下料爪手機構裝配在FANUC 6軸機器人末端執行部件上，該工業機器人內置iRVision智能視覺系統及機器人安全策略系統等。其中，智能視覺設備直接連接到工業機器人進行控制，在沒有工業PC機的條件下可以正常運行，同樣，視覺功能軟件也直接集成到工業機器人系統中，便于操作者進行視覺編程。為了能夠方便進行視覺功能軟件參數設定和運行狀況的觀察，采用示教器畫面進行實時顯示。考慮到操作人員的人身安全，需要在工業機器人中嵌入安全策略系統。當工業機器人系統運行出現異常時，通過設置不同的安全干預模式來適應實際生產需求，比如循環停止、緊急暫停和請求進入等功能。工業機器人內置視覺系統示意圖及系統控制流程圖，如圖4所示。

圖4 工業機器人內置視覺系統示意圖及系統控制流程圖

3 結論

本研究以配電柜主框架作為對象，設計了一種適用于不同規格尺寸配電柜主框架的上下料爪手機構。該上下料爪手機構主要由爪手主體、機器人連接法蘭和氣動磁性吸盤等組成。同時，整臺設備內配備有智能視覺系統及安全系統，可實現上下料抓取動作全程可視化和操作安全可靠。

本文利用工業機器人的工作效率高、靈活度大、操作穩定性好以及可擴展性強等優勢，通過連接法蘭將工業機器人與爪手機構進行集成創新。研究結果表明：FANUC機器人配上自主設計上下料爪手機構的末端執行器，可以根據配電柜主框架尺寸大小調整氣動磁性吸盤位置來快速抓取主框架，有效降低了人工裝配時間成本，提高了生產質量和生產穩定性，滿足了企業對不同規格尺寸配電柜主框架進行大規模裝配的需求，為柜體框架裝配提供了一種適用于不同規格尺寸框架的創新智能抓取機構。