汽车钣金零部件下料机械手爪的模块化设计

0 引言

在我国冲压加工技术不断发展的过程中，其占据机械加工过程中的比重不断的扩大。冲压产业发展对于冲压机工生产工艺不断的提高，传统手工送料的方式因为受到速度、精度、安全性的制约，无法满足现代化生产需求，自动送料结构逐渐代替传统手工送料。目前，已经不再需要大量劳动力实现生产活动，劳动密集型逐渐转变成为技术密集型，冲压自动化生产成为未来冲压行业主要的发展趋势。

1 自动化冲压生产线的对比

1.1 传统冲压生产线

传统冲压生产线主要包括多个单动机械压力机构成，将机械手安装到不同压力机中，实现加工工位的控制，从而实现工件翻转。此种上下料方式结合机械及人工，为半机械化流水线。现代，我国大部分冲压企业都是利用此种方式实现生产。

1.2 柔性自动化送料

此为常规机械手系统及多工位横杆输送系统中间的结构，自动化送料较为灵活、简便、高效。另外，此种系统在大批量及加工方式不变化的生产线中，无法在多品种、小批量产品生产中使用[1]。

1.3 多自由度送料机器人

常见工业机器人中的末端执行器根据握持原理划分成为夹持类及吸附类两种，本文在研究过程中的机械手是对于钣金自动下料设计的，由于钣金形状属于平面直板，对夹持类机械手末端夹持是非常不利的，吸附式手部特点能够满足大平面物体需求，钣金平面直板型形状能够满足此需求，那么本课题使用机械手末端执行器作为吸附类手部。工业过程中所使用的吸附类末端执行器根据不同的吸附原理划分成为气吸式及磁吸式两种。

1.4 快速送料机械手

目前，快速送料机械手被广泛应用到中小冲压企业中。此种送料方式具有较快的送料速度，还能够在各种冲压生产线中使用，具有较为广泛适用面，满足我国实际发展需求。但是，此种机械手大部分都是购买与国外，价格比较贵，维修也不方便。国内生产机械手，如图1所示。

1.端拾器；2.吸盘；3.导轨；4.滑块；5.支板；6.气缸；7.支座；8.机架

图1 国内生产机械手

其虽然能够实现快速的上下料，但是在滑块中安装支座，在上下卸料的过程中无法对其稳定性进行保证[2]。为了保证手抓抓取工件时力和力矩的平衡，分别在工件质心两侧寻找合适抓取点，并且两个抓取点距离分别为180 mm，如图2所示。

(a) 生产线工件

a 工作1抓取点

b 工作2抓取点

c 工作3抓取点

(b) 抓取点选择

图2 手抓结构和模块的关系

2 机械手结构设计

为了能够有效定位工件，抓取被加工件到冲压线中放置实现冲压，要求旋转、平移及抓取3个动作为基础，实现上述动作模型的创建。机械手的结构，如图3所示。

图3 机械手的结构

此模型主要包括上下升降、底座、伸缩、中心旋转和末端。对应地主要包括四个自由度，上下升降轴J1、中心旋转轴J2、前后伸缩轴J3、末端旋转轴J4。

上下轴传动方案利用交流伺服电机促进同步轮实现传动，并且利用同步带为同步轮进行传递，通过同步轮轴和丝杆连接，从而实现转动，丝杆螺母和平台在机械手整体上下升降实现固定。中心旋转轴电机B使利用同步带减速连接谐波减速器轴，以此使负载惯量得到降低，使输入转矩得到提高，提高控制的进度。伸缩轴电机主要作用就是利用线性滑台使旋转运动朝着直线运动进行转变，末端伺服电机是转动轴驱动，使其带动末端进行旋转，从而在平面内实现末端的定位[3]。

3 机械方案的设计

机械手机械结构主要包括：其一，结构主体通过铝板、铝型材构成；其二，在铝板中安装30个真空吸盘，不同的真空吸盘中设置控制开关，以吸附工件尺寸实现工作中真空吸盘数量的调节；其三，X轴传动机构属于同步带传动机构，主要包括上下两层，利用线性导轨实现导向，机构通过一个伺服电机利用同步带驱动双层支臂同时伸缩，设置1 800 mm行程。Y轴传动机构属于丝杠传动机构，固定螺母，丝杠开始运动，设计500 mm行程。

压力机下料机械手下料节拍为每件4 s，下料的时间较为紧迫，在设计过程中要在4 s中满足机械手从压力机外进入到吸附位置的需求，之后使工件搬运到压力机中[4]。

4 末端执行模块的设计

2.3.5 搅拌速率 搅拌速率会引起溶液反应浓度差而导致质子化转移，同时也能减少局部温度过高降低重排几率。一般不会影响合成的产率，但会使反应得到产品外观和整体性能有所差异。实验长链烯基A和有机胺B比例为1∶1.2，反应温度控制在25℃，反应时间6h，催化剂比例为0.25%，实验结果见图7。

其一，吸附式。气吸式末端执行器属于工业中较为常见的吸持物件装置，主要包括进排气系统、吸盘及吸盘支架，其工作原理就是通过真空吸盘中内外气压差将工件吸气。气吸使用较为便捷，重量比较轻，不会污染环境，机械结构较为简单。气吸式末端执行器能够在非金属材料中使用，所以对于被吸持工件预定输送位置误差并没有较高的要求，但是要求吸附物料平整顺滑，被吸工件没有漏气及孔洞[5]。

其二，磁吸式末端执行器。在工作过程中，磁吸式被吸物件的质量不会破坏，磁吸单位的面积具有较大吸力，但是和气吸式对比，磁吸式端执行器对于吸取工件表面光洁度、通孔及沟槽等并没有特殊的要求，此也是比气吸式末端执行器较为优越的地方。但是磁吸式手部并没有不足，比如被吸工件被电磁铁吸附之后会具有剩磁的情况，吸附磁头中具有有磁性碎屑的吸附，会对机械手正常的工作造成影响。另外，在温度为723°以上的时候，导致铁、磁等材料没有磁性，那么在高温中无法实现磁吸工作。以气吸式及磁吸式吸盘的优点、缺点及实际工作情况，将磁吸式手部成为本课题机械手抓取的手部。末端执行器的结构，如图4所示。

图4 末端执行器的结构

其中铝制圆盘在小臂末端安装，圆盘的下部实现3个电磁铁的安装，利用电磁铁电流开断的控制，从而实现吸附及放下工件的控制。另外，在设计过程中使用设计方案的快速更换，方便今后故障的维护[6]。

5 手爪结构的设计

本文在设计手爪结构的过程中将抓取对象作为基础，利用模块化思想实现。

5.1 抓取单元模块

因为夹具属于金属材质，电磁磁盘和工件在作用过程中会和夹具出现作用。为了对抓取可靠性进行保证，基于电磁吸附添加真空吸附装置，以此使抓取单元对于工件吸附力得到提高，使其能够从夹具中脱离。[7]抓取单元模块主要包括接近传感器、真空气吸盘及电磁吸盘，为了能够有效结合真空气吸盘及电磁吸盘，电磁吸盘实现中空结构设计，外径设置32 mm，内径设计16 mm，吸附力设置80 N。真空气吸盘吸嘴的直径设置15 mm，在电磁铁中心中空部位进行安装，和轴相同安装，并且使真空吸嘴最低面要低于电磁铁下表面2 mm。真空吸嘴在轴向存在弹簧结构，使其和工件接触过程中与工件表面贴和，以此使真空吸盘吸附质量进行保证。在真空气压设置为80 kPa的时候，真空吸附力设置为14 N。[8]所以，一个抓取单元模块的吸附力设置为94 N，设计的手爪结构主要包括两个抓取单元，一共具有188 N吸附力，工件最大的重量为11 N，那么具有较高的安全系数。和传感器接近的在电磁吸盘外圆周中，和传感器接近的主要作用就是对工件存在进行感知，以此形成反馈。在抓取单元模块和工件接近的时候会产生高电平，在抓取单元模块和工件距离较远的时候，会产生低电平[9]。

5.2 手爪框架模块

手爪框架模块属于机械手爪主要的结构，具有两套抓取单元模块机械，在电气接口及安装接口中，并且还具有和机械手末端机械安装结构，以抓取点实现方案的选择，抓取单元模块的接口跨距设置180 mm[10]。

5.3 姿态微调模块

因为在不同工件中选择连个抓取平面的角度差较小，为了使抓取单元模块能够和抓取平面相互结合，在抓取单元模块中实现姿态微调模块的设计[11]。姿态微调模块使用向心关节轴承，向心轴承在轴承套中设置，利用轴承套到手爪框架模块中固定，抓取单元模块利用定位螺母在向心轴承内圈中固定，并且通过轴承钢内外圈的相对转动调整角度。通过分析表示，选择的三组抓取平面最大角度差为10°，向心关节轴承转动角度为12°以上，以此使抓取要求得到满足。为了使抓取稳定性进行保证，提高向心关节轴承转动阻尼，将阻尼脂涂抹轴承。阻尼脂通过高温系数合成油配置，其润滑性良好，并且还具有阻尼性能。姿态微调模块，如图5所示。

图5 姿态微调模块

姿态位移曲线，如图6所示。

图6 姿态位移曲线

5.4 抓取反馈模块

其主要指的是实时信号处理模块、接近传感器，在工件抓取的过程中，机械手爪和工件相互接近，那么接近传感器就会发送高电平信号，利用信号处理模块对电磁阀通电及电磁铁进行控制，从而提高抓取力，抓取工件[12]。

6 总结

本文所设计的机械手爪已经被应用到某企业防盗门钣金生产物流线中，以不同用户的不同需求能够实现快速的组装，并且还能够实现不同型号规格钣金加工机械手系统的配置。另外，本文所设计的机械手爪具有较高可靠性，能够实现汽车钣金零部件生产中3种工件下料工作。以上汽车钣金零部件下料机械手爪模块化设计的方案及成功使用，能够为相应产业生产提供技术支持基础。