砖坯码垛机械手爪气动系统设计

潘志方,林　飞（.福建省南平铝业有限公司,福建　南平　353000；.江西理工大学　电气工程与自动化学院,江西　赣州　34000）

砖坯码垛机械手爪气动系统设计

潘志方1,林飞2
（1.福建省南平铝业有限公司,福建南平353000；2.江西理工大学电气工程与自动化学院,江西赣州341000）

摘要：对现有的砖坯码垛工艺进行了研究，设计了一种机器人码坯工艺，研发了相应的砖坯码垛机械手爪及其气动系统，重点阐述了该机械手爪的工作过程及其气动系统的原理，根据实际工况要求，对关键气动元器件进行了计算选型，并对该机械手爪进行了现场实验验证，结果表明，设计的机械手爪及其气动系统能有效的满足工作要求。

关键词：码垛；机械手；气动系统；设计计算

0　引言

砖坯码垛工艺在砖瓦生产过程中十分重要，直接影响着砖块烧结过程中的能耗、质量、产量以及效率[1,2]。目前，砖坯码垛工艺主要有人工码坯、码坯机码坯和机器人码坯三类[3,4],人工码坯劳动强度大，码坯质量受工人技术水平影响，且工作环境恶劣，在劳动力日益短缺的趋势下，人工码坯将逐步被淘汰；码坯机码坯克服了上述不足，具有码坯效率高，一次码坯量大，部分码坯机可一次完成一层砖坯矩阵的码放，但是，随着建筑形式的多样化发展，市场对砖瓦形式的需求日益增多，除标砖外，还有各种空心砖、多孔砖等新型建材，码坯机机构庞杂、占地面积大[5]，为了适应不同的砖坯形式，需大量更换码坯机的机械零部件，而当砖坯尺寸相差过大时，码坯机则无法适应，此外，码坯机还存在零件繁多，故障概率高、维修量大等缺点；机器人码坯将码坯机与机器人的优点相结合，只需调整或者更换机械手爪即可适应不用的砖型，具有灵活性好、故障率低、工作效率高等优点，是未来发展的趋势。

1　砖坯码垛机械手爪结构及工作原理

机器人码坯工艺如图1，将砖坯码垛机械手爪安装在工业机器人末端的连接法兰上构成砖坯码垛机器人[6]，码坯机器人将待码的砖坯（如图2）按规则逐层码放至窑车上，其工作过程如图3。

设计机械手爪结构如图4，四个气缸两两相对安装，每对气缸之间连接有对中连杆，用于保证两气缸的伸缩量一致，其工作过程主要包括抓坯、卸坯、复位三个过程。

抓坯过程：机械手爪的固定挂板、浮动挂板分别插入待码砖坯的缝隙中，由气缸驱动两侧夹板带动砖坯同时向中间运动，左侧一列砖坯与固定挂板接触后被加紧，右侧一列砖坯与浮动挂板接触后继续被推向左运动直至浮动挂板带动中间一列砖坯向左运动与固定挂板接触，至此将三列砖坯夹紧。

卸坯过程：四个气缸同时泄气，机械手爪垂直抬升，由于泄气后手爪的加紧力较小，砖坯受重力作用自行与机械手爪分离。复位过程：四个气缸同时伸出，由限位装置及复位弹簧等保证气缸伸出后两侧夹板及浮动挂板回到原位置。

2　气动回路设计

根据砖坯码垛机械手爪的工作要求，考虑工作效率、可靠性、维护等因素[5]，设计气动回路如图5。气路控制过程包括抓坯、卸坯、复位、保护四部分。

复位：接通气源，电磁阀c1～c4接通，气缸伸出至机械极限位置。

抓坯：电磁阀c1～c4失电，气缸收缩夹紧砖坯，当管路压力高于压力继电器5上临界值时，机械手爪等待0.5s后垂直抬升。

1、气源，2、截止阀，3、泄气阀，4、储气罐，5、气动三联件，6、压力继电器，7、气缸（a1～a4），8、单向节流阀（b1～b8），9、电磁阀（c1～c5），10、消声器（d1～d9）

卸坯：电磁阀c1～c4保持失电状态不变，电磁阀c5得电后切换，此时气源被切断，且各气缸泄气，机械手爪夹板松弛，当管路压力低于压力继电器5下临界值时，机械手爪等待0.5s后垂直抬升。

保护：突然断电时，手动关闭截止阀2，在机械手爪正下方放置托盘，手动调节泄气阀3，将气缸内气体泄去，随着气压不足，砖坯自由下落至托盘，在此过程中，储气罐可为气路持续提供一段时间的高压气体，而各气缸失电状态为缩回状态，此时若机械手爪上抓有砖坯，则在失电状态下可持续抓取一段时间直至将砖坯全部被人工卸下。

3　气动元件选型计算

3.1气缸选型计算

待码的砖坯矩阵纵向间隙为d1=25mm，如图2，固定挂板和浮动挂板厚度均为δ=5mm，标砖密度约为ρ=1.7g/cm3，尺寸如图6，夹持面为A=53mmx115mm面，单次抓取的砖坯数量n=60块，湿坯与钢（表面粗糙度Ra6.3）的最小摩擦因素约为f=0.3（经验值），机械手爪垂直抬升最大加速度为a=6m/s2，工作气压为P=0.6Mpa，湿坯许用应力约为0.08Mpa（经验值）。

气缸所需行程：

S≥（2d1-δ）+2d2=80mm；

单个气缸所需拉力：

F＞[nρV（g+a）]/（4f）=1965N；

其中d2为机械手爪插入待码砖坯矩阵后夹板与外侧砖坯的距离，取d2=20mm，V为标砖的体积，g为重力加速度。

根据某公司提供的气缸规格，选取缸径为D=80mm，活塞杆外径为d=25mm，行程为100mm的双作用单杆气缸，该气缸在0.6Mpa时，拉力为Fe=2721.6N，在0.5Mpa时，Fe=2268.0N，在0.4Mpa时，Fe=1814.4N。

作用在单块砖坯上的应力σ=Fe/（15A）=0.029Mpa＜0.08Mpa，故满足要求。

3.2储气罐选型计算

该储气罐主要以消除压力波动为目的，且在外界供气出现问题时能是该系统的继续工作一段时间，保证系统安全[7]。耗气量的计算：

单个气缸活塞杆缩回时的耗气量Q1：

为气缸的伸缩速度为200mm/s。

故气缸总耗气量为Q=4Q1=864L/min，已知，上述气源供给压力P1=0.8Mpa，气缸最低工作气压为P2=0.5Mpa，故所需气罐容积VQ有：VQ≥P0Qt/[60（P1-P2）]=4.8t（L），

其中P0为大气压强，t为断电时气罐能保证气动系统正常工作的持续时间。

工人听到断电报警到关闭截止阀2的所需时间至少为20s，为此，设计断电后保持时间为60s，故V=288L，故选取储气罐容量为300L。

4　实验结果

本实验主要为验证所设计的砖坯码垛机械手爪工作原理的可行性及可靠性。通过现场调节单向节流阀使气缸在伸缩速度和平稳性均达到实验最优，再控制码垛机器人工作。通过实验验证，该砖坯码垛机械手爪抓取可靠，断电后未关闭截止阀2仍能继续夹紧52s左右（可能是局部微量漏气造成），断电持续至20s时关闭截止阀3后则能继续夹紧659s左右，人工卸坯时间充足，说明该气动系统能满足要求。图7a为成功抓取现场，图7b为该砖坯码垛机器人码好的砖坯。

5　结论

介绍了机器人码坯的工艺过程，以标砖为例设计了相应的砖坯码垛机械手爪及其气动系统，并介绍了该气动系统的工作过程，同时，对气动系统中关键的气动元器件进行了计算选型，最后，对该砖坯码垛机械手爪进行了现场实验，验证了该机械手爪可以满足现场工作要求。

参考文献：

[1]向守兵,苏光大,陈健生等.基于机器视觉的码坯异常检测与识别[J].光学学报,2011(07):184-190.

[2]贾相福.谈谈码坯方式的选择[J].砖瓦,2010(03):16-17.

[3]时洪文.自动码坯机与机器人的选择[J].砖瓦世界,2012, (01):33-34.

[4]王海臣.自动码坯机在烧结砖厂的应用[J].砖瓦世界,2008, (10):75-76.

[5]刘星.高精度全自动码坯机的研究与设计[D].南京理工大学, 2014.

[6]杨传民,田少龙,杨锰等.码垛机器人末端执行器的设计[J].包装工程,2014(03):60-63.

[7]SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术[M].机械工业出版社, 2004:72-73.

基金项目：江西理工大学校级课题，NSFJ2015-G18

作者简介：潘志方(1988-),男，江西宜春人，本科，机械助理工程师，主要研究方向：机械设计、设备维护。