自动上下料机械手的硬件优化

王玉华，潘中正

合肥经济学院，安徽 合肥 230000

1 自动上下料机械手的研究现状和趋势

机械手是实现机械自动化生产的重要手段，机械手是工业机器人取代人类体力劳动的关键环节。全球制造业正加速向工业4.0迈进，我国的“中国制造2025”计划中，明确30年三步走计划，争取在中华人民共和国成立100周年时成为制造业强中之强。其发展核心就是智能制造，而智能制造发展的核心是自动化，自动化的实现离不开机械手臂。机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率[1]。机械手在机械行业中可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，且适应性很强。

我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平较低，机械手的研究和开发直接影响我国自动化生产水平的提高，因此从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

目前，自动上下料机械手在运行过程中会存在运行不平稳现象和振动现象[2]，因此，文章主要从硬件选择方面对机械手进行优化，提高其在运行过程中的稳定性。

2 自动上下料机械手工作环境的要求

该课题的自动上下料机械手在实际的生产过程中用在冲压流水线上。

2.1 机械手参数的相关要求

使用上下料机械手是为了避免人工上下料时出现的意外，实现无人上下料。自动上下料机械手完成工件的搬运后，可完成工件整体的转移。设计机械手基本的要求如下：

（1）负载能力大于70N；

（2）车间流水线上代加工工件能够准确地放到冲床上，加工后能够准确地放到工作台上，检测之后能够将工件放到下一个冲床上；

（3）使机械手和冲床之间的运动相互不干扰；

（4）机械手方便装配和拆卸，节省空间；

（5）机械手应该有紧急应急程序，以便处理突发的情况。

根据要求选择合适的驱动电机，且确定各个轴之间传动的方法，再确定各个轴的参数和机械手其他的细节部分。

2.2 机械手的自由度和动作要求

在实际生产加工中，自动机械手要完成在三个工作台上的相互搬运工件的动作，一个工作周期之内要到达三个位置，即冲床A、检测台以及冲床B。自动机械手在搬运过程中需要抓取工件、上移、转动以及放料。上升下移需要有z轴的移动，三个位置的互换最少要有z轴的转动，故要满足自动上下料的机械手最少需要2个自由度，初步设计机械手如图1所示。

图1 拾取冲床A工件

图1 中，机械臂z轴能转动，在该机械臂上再安装1个能够抓取和释放工件的机械臂，且该机械臂可以上下移动，才能达到工件的搬运和转移的要求。

考虑到转动式机械手在工作空间上存在不便，可以将转动式改成直线式并设置x轴和z轴两根悬臂。

起始位置时，x轴在z轴右边，悬臂拾取冲床A上和检测台上已经检测好的工件，此时悬臂上移，然后沿着x轴向右移，之后将冲床A加工后的工件转移到检测台上方，检测台检测后的工件转移到冲床B的上方，最后悬臂下移放下工件，完成工件在冲床A、检测台和冲床B之间的转运，如图2所示。

图2 释放工件到冲床B

3 自动上下料机械手硬件选择

自动上下料机械手控制系统硬件包含了电动机、电磁继电器、传动方式、吸附方式。

3.1 步进电机

在机械自动化生产过程中，有两种常用的电动机，一个是步进电动机，另一个是伺服电动机。

该课题的机械手系统，x轴和z轴都选用了步进电动机，原因如下：

（1）机械手在运行过程中速度稳定，防止传动时速度不均匀而产生抖动；

（2）机械手在整个工作过程中全部都是平移运动。

课题中，滚轴丝杠的驱动力由机械手臂的z轴电动机提供的步距角为1.8°，z轴的移动距离是300mm，螺纹距离是5mm。

3.2 传动方式

常见的传动方式包括同步皮带传动、滚珠丝杠传动以及齿轮条传动[3]。驱动模式的选择与上下料机械手的实际工作环境有关。对于该课题研究的上下料机械手，同步皮带传动、滚珠丝杠传动、齿轮条传动都能满足要求。然而考虑到两方面因素，一是两个冲床间隔比较大、自重的变形因素；二是工件的搬运需要准确地落入工位槽内，因此，机械手的x轴采用同步带传动驱动，z轴可以由滚珠丝杠传动驱动。

3.3 吸附装置

吸附装置是自动上下料机械手设备中一个非常重要的装置。一般情况下，有真空吸盘、机械手夹式吸盘和电磁吸盘[4]。该课题设计中的冲压物料为磁性材料，因此选用电磁式吸附式吸盘。电磁式吸盘是利用物理电磁原理吸取磁性材料的一种装置。课题设计选用的电磁吸盘主要参数如表1所示。

表1 电磁吸盘主要参数

4 机械手仿真结果

（1）启动SolidWorks，选择“文件”打开机械手装配图；

（2）选择Motion分析功能，SolidWorks Motion作为SolidWorks自带插件；

（3）对各个部件进行距离约束；

（4）对连接板进行距离约束，距离设置为230mm，动画时间设置为6s；

（5）对悬臂进行距离约束，距离设置为250mm，动画时间设置为4s；

（6）对电磁铁进行距离约束，距离设置为50mm，动画时间设置为0.1s。

通过仿真运行验证优化方案的合理性，可知该方法在一定程度上提升了工件在运行过程中的平稳性，运行过程如图3所示。

图3 仿真过程示意图

5 结束语

冲床中的自动上下料机械手主要倾向于机械手运动动作简单、工作时间长、次数高、工作过程中机械手的运动平稳、流水线加工中有较高的加工精度，该课题设计的关键在于机械手整体结构的优化，并通过仿真运行验证了结构的合理性。但在硬件选用方面还存在一定的不足之处，并且无法很好地实现自动化，检测到不合格件时需要手动干预。因此，该课题接下来的研究重点是提高硬件的精度及运动的全自动化。