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摘要：人工上料不僅給人帶來乏味勞累，還導致作業效率不高，機器代替人工作業已經成為很多企業解決這一難題的途徑。自動上料機械手是針對客戶的實際生產需求，對生產節拍的分析計算、直線模組選型計算，結合直線模組組合方式以及產品的主要特點等研究設計的一款直角坐標上料機械手，其憑借結構簡單、可靠性高、速度快、精度高以及維護維修方便等優點在自動化生產線上得到應用和推廣。

關鍵詞：直角坐標；機械手；自動化生產線

引言

人工成本的不斷上升，機器代替人工已經成為很多公司轉型升級的主要手段。應用自動化生產線以搬運機械手代替人工完成物料運輸，與人工相比，它具有能夠按照一定節拍精確穩定地不間斷地重復完成一項工作、能夠運輸人工無法運輸的較重物料，并能有效避免惡劣工作環境下人工作業可能帶來的人身傷害，已是制造生產工業實現自動化生產的必然選擇，被廣泛應用[1]。以往人工上料過程中，人的重復勞動不僅給人帶來乏味勞累，而且作業效率不高。近年來，隨著電子技術水平的不斷提高，機器人已經逐步應用到生產領域，幫助人們完成了一些難度比較高以及枯燥的工作，極大地降低了勞動強度，進一步提高了生產效率[2]，同時在需要精確定位的工位中需借助機械結構進行二次定位。因此，本文研究設計自動上料機械手，減少工人操作，提高作業效率與產品定位精度。

1自動上料機械手工作環境

機械手是一種模仿人手動作按照提前設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取的自動化設備，準確性高，造價相對經濟，結構簡單且易操作[3]。自動上料機械手主要用于轉子涂敷生產線[4]的轉子上料，為滿足整條生產線技術要求以及工藝流程，合理安排自動生產線中上料機構與其他工位機構的布局，使得控制系統更簡單、操作更加方便，上料機械手與其他生產工位布局如圖1所示。其工作流程是：轉子通過上料輸送線把轉子送到定位機構，定位機構把轉子定位到上料位，上料機械手自動拾取，運輸到蒙套組裝工位，將組裝好的轉子取出，把未組裝的轉子放入組裝工位，并把組裝好的轉子運送到涂敷機的上料位。機械手上配有兩套夾具，其中一套夾具未組裝的轉子，另外一套夾具夾取組裝好的轉子，使其機構配備更合理，工作效率更高；同時夾具上還配有檢測傳感器，實時檢測夾取的轉子在高速運送過程是否掉料。通過自動上料機械手能實現設備在生產過程中物料中的點對點的快速轉換，提高整體的生產效率，節約生產成本。

2自動上料機械手設計要求

轉子涂敷生產線中定位機構把轉子定位到上料位，上料機械手將未裝蒙套的轉子搬送到蒙套組裝工位，同時把組裝好的轉子搬送到涂敷機上料位處，整個過程要求穩定可靠，故有以下幾點要求：（1）夾具在取放過程中不得夾傷產品；（2）在運送過程中有掉料檢測；（3）機械手取放位置可調；（4）機械手具有手、自動控制切換功能；（5）機械手結構設計合理、運動平穩可靠；（6）生產節拍為9s。

3自動上料機械手設計

根據自動上料機械手工作環境和設計要求，設計一種直角坐標上料機械手，上料機械手主要負責把輸送線的轉子搬送到蒙套組裝機構，同時把組裝好的轉子取出，搬運到涂覆機內。其中這種直角坐標機械手在工業生產中比較常見，被廣泛應用。上料機械手的組成分別為：控制系統、驅動模塊、執行機構、檢測系統。控制系統主要負責發送邏輯指令給到驅動模塊，由驅動模塊驅動執行機構進行搬運、拾取、放置等動作；檢測系統主要負責對執行機構在執行過程中進行實時的監測，并把監測結果反饋給控制系統。

3.1機械手主要部件選型

驅動機構的選擇驅動機構是機械手的重要組成部分，機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置[5]。根據機械手取放位置可調以及要實現多位置取放的設計要求，選擇采用伺服電機帶動絲桿作為機械手的驅動模塊，同時結合取放要求尾端手抓采用氣缸的形式抓取。根據生產節拍為9s，伺服額定轉速為3000r/min，啟動與停止時間為約0.2s；X軸位移分別為550mm、63mm與500mm；Y軸補償行程約250mm，與X軸同步進行，不計入節拍內；Z軸最低與最高位之間高度差為243mm。根據上述的設計數據初步選定，X軸絲桿導程為20mm，Y軸導程也是20mm，Z軸導程為10mm。根據：可得X軸，550mm用時0.75s；500mm用時0.7s；當X軸運動63mm時，為避免X軸加速度過大而導致定位不準確，同時啟動與停止時間也按0.2s計算，可得用時0.4s，此段加速度為1575mm/s2。同理可得Z軸走250mm用時0.7s；其中氣缸取放時間約為0.4s。因此整體節拍時間為8.6s，滿足生產需求。根據產品質量約為200g，同時取2個，共約400g；單個氣缸約為270g，需要4個，共約1080g；氣缸安裝板約350g；夾具約150g，需8個，共約1200g；Z軸實際最大負載約為3430g。因此根據模組生產廠家給出的數據（圖2），同時結合節拍要求，選擇導程為10mm，垂直負載為5kg的模組，同時考慮到實際應用的情況，保留一定安全可調行程，選擇有效行程為300mm的模組。同樣的計算可以選出Y軸的行程為300mm，水平負載40kg；X軸的行程為1250mm，水平負載83kg。

3.2自動上料機械手關鍵部位設計

上下料的過程是否安全、可靠，與機械手的穩定性有著極為密切的關聯，由于機械手抓取的工件規格、尺寸、形狀存在一定的差異，從而使得機器手的樣式較多，其中比較常見的有鉗式和吸附式兩種手抓設計[6]。根據設計要求，為保證產品在運動過程中不會掉落，要求機械手抓的夾取要穩當，同時又不能夾傷產品，結合到選擇的型號進行手抓設計。轉子的外形為圓柱體，因此在設計夾具時采用V形面夾取轉子，同時為了避免制造的誤差導致夾取不穩，在中部做避空位，設計如圖3所示。根據選擇的模組型號得知，X軸跨度較大，為了保證機械手在運行過程中的穩定，選擇截面為100mm×100mm，壁厚為4mm的方通設計機械手的安裝柱。由于機械手安裝高度在1000mm左右，同時為保證在機械手啟停的過程中由于加速度過大導致基礎件的搖晃，在其底部焊接兩塊加強筋。由于整個安裝柱采用的是焊接工藝拼接在一起的，為了減少焊接后應力不均而引起的變形，整體焊接采用交錯段焊，同時在焊接完成后整體需進行退火工藝[7]，減少應力，最后對上下的焊接鋼板進行機加工，使其滿足機械手安裝的平直度要求。機械手連接中，為減少因加工與裝配引起的累計誤差，每個零部件之間的必須有定位銷[8]進行定位，再由螺栓連接。同時各連接零部件滿足機械手的剛度與強度等設計要求，設計了自動上料機械手，如圖4所示。

4結束語

自動化生產線不僅能提高生產效率，同時也能提高企業的制造水平與企業形象。本文所提到的自動化上料機械手不僅能提高生產效率，同時降低的能源損耗，已經在終端用戶的實際生產中應用。其高精度、高效率、低能耗等特點得到終端客戶的認可。

參考文獻：

［1］李曉枬.自動下料機械手的研究設計［J］.冶金與材料，2018，38（6）：46-48.

［2］納斯哈提•尼合買提吾拉，高鐸文，王明杰，等.淺談搬運機械手仿真設計［J］.河北農機，2016，（8）：56.

［3］歐洋，高禎，李連強.工業機械手結構設計分析［J］.工業控制計算機，2017，30（6）：81-82.

［4］陳秋華，余寧.一種新型轉子環氧樹脂涂敷機［J］.機電工程技術，2013（10）：81-83.

［5］李冬.淺析機械手的設計［J］.世紀之星創新教育論壇，352.

［6］申耀武.機床上下料工裝設計中工業機器人的應用研究［J］.南方論壇，2019（4）2-3.

［7］董志合，關敬巧，李海云.生產中降低焊接件殘余應力的措施［J］.鑄造設備與工藝，2018（3）：55-56.

［8］徐旭松，吳德輝.銷/孔定位結構公差設計中的功能邊界分析法［J］.機械設計與制造，2018（10）：225-228.

作者：冼業榮 單位：廣東省機械研究所