一种自动夹取及码垛的机械手装置设计

0 引言

目前，公司生产工件时，常使用电动葫芦吊装及码垛，但该装备存在一定缺陷：首先，存在工件掉落砸伤工人的隐患，其次效率较低，工件制造完成后需要额外人工吊装及码垛。而使用机械手代替人工吊运码垛，可以提高生产效率和安全性。机械手是模仿人手部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运等动作的自动化机械装置。

1 机械手总体设计方案

1.1 设计技术要求

工件为钢结构，形状为规则的长方体，尺寸为1 600 mm×700 mm×65 mm，单件重量80 kg；要求：（1）两个码垛工位；（2）从抓取工件开始到完成码垛并回归原位，时间间隔不大于10 min；（3）能够抓取不同尺寸规格的工件。

码垛形式：15块工件整齐叠加。

1.2 机械手基本形式的选择

常见的机械手按照手臂的坐标形式划分主要有四种：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。其中，直角坐标式是适用于工作位置成行排列的一种机械手，它的手臂可以伸缩、左右和上下移动，按直角坐标X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结合公司车间实际情况，本设计采用直角坐标式机械手。

1.3 机械手结构和主要部件确认

机械手由执行机构、驱动机构、控制机构与位置传感器组成。执行机构用来抓持工件，结构形式有夹持型、托持型、吸附型等，根据工件结构实际情况选择夹持型。驱动机构用来驱动各种运动以实现规定的动作，根据动力源的不同，一般有电动、机械、液压、气动等形式，此处选择电动、液压、气动多种传动相结合的复合传动机构。控制机构选择PLC。

2 工作原理

如图1所示，机械手夹具处在初始取件位置，工件通过生产线运动到工件平台，夹具下降到工件位置并夹紧工件后开始上升，移动小车开始左移到A工位处，夹具下降并松开放下工件，然后夹具重新回到初始位置，重复下一个周期循环。A工位码垛完成后执行B工位的码垛。夹具的夹紧、松开由气缸驱动，夹具的上升、下降由液压缸驱动。夹具的运动流程如图2所示。

3 机械手夹具结构设计

机械手结构设计的难点在于夹具的结构设计，它要求能够很好地夹紧、松开且能夹取不同规格的工件。

3.1 作图法

图1 机械手示意图

图2 运动流程图

确认已知尺寸和要求，对于某些不能确认的尺寸给出初始值，并按图3所示作图法最终确认出合适的夹杆长度L1、L2、L4以及拉杆长度L3。

图3 机械手夹具运动位移示意图

3.2 有限元强度分析

机械手夹具结构设计完成后，进行有限元分析，结果显示设计满足强度要求，如图4所示。

图4 有限元分析结果

4 液压系统设计

机械手夹具升降液压原理图如图5所示，回路使用液压锁，能使油缸可靠地停止在任意位置上。

基本参数：工件及夹具的重量之和为G。

图5 夹具升降原理图

（1）液压缸外负载为F，取液压缸的机械效率η=0.9：

（2）初选系统工作压力为P=10 MPa。

（3）油缸活塞杆受拉时，F=P1A2-P2A1；油缸的速度比为φ=V2/V1=D2/（D2-d2），初步选取为1.33。其中，A1、A2分别为无杆腔、有杆腔活塞有效面积；P1、P2分别为工作腔压力、回油腔压力；D、d分别为油缸缸径、杆径。

经过以上计算及圆整，结合《液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径》（GB/T 2348—1993）和《液压气动系统及元件 缸活塞行程系列》（GB 2349—1980），缸径D=63 mm，杆径d=40 mm，油缸行程为1 200 mm。

（4）液压泵选择。液压泵的流量为：

一般取K=1.1～1.3，∑qvmax为同时动作时需要的最大流量。根据以上P和Qvp值，从样本中选择齿轮泵型号。

（5）电机的选择。液压泵的总驱动功率为：

数据库技术是计算机科学技术中发展最快的技术之一，也是应用范围最广、实用性最强的技术之一，已成为信息社会的核心技术和重要基础。高职教育以就业为导向，培养市场需要的人才。目前，许多中小企业在数据库应用中使用SQL Server数据库平台，高职学生的就业主要面向这些单位，因此，掌握这门技术是非常必要的。学习这门课程后，学生可以成为企业数据库系统管理员，也可以为软件开发做后台数据设计与维护。

5 PLC控制回路设计

（1）机械手的运动流程如图2所示。

（2）PLC I/O输入、输出分配表分别如表1和表2所示。

表1 I/O输入分配表

（3）部分机械手控制程序示例如图6所示。

6 结语

针对公司实际需求，设计了一种自动夹取及码垛的机械手装置，该机械手集液压、气动、电动及PLC控制为一体，实现了公司产品下线时自动夹取、码垛等动作。全程无需人工辅助操作，消除了安全隐患，降低了人工成本，提高了工作效率。该装置投入生产以后表现良好。

表2 I/O输出分配表

图6 部分机械手控制程序示例