一种生产线自动上下料机械手结构设计

曹兴业，杜保成，曹炳驰

（平显智能装备（深圳）有限责任公司，广东深圳 518000）

现代化工业生产中，原材料搬运、机床自动上下料是个薄弱环节。在生产中这类工序的费用成本过高、消耗时间过多问题迫切需要解决，再加上此类工序中频发的事故，制约了机械自动化的顺利发展。当前部分工业的生产线已采用自动上下料机械装置，自动上下料装置不但减少了工人的劳动强度，也减少了车间管理人员的大量投入，从传统的一人管理一台机床转变为一人管理整个车间的状态，为企业降低了成本投入，提高了工作效率。

1 自动上下料机机械手发展的意义

目前，工业机械正朝着科学化、重构化、模块化方向发展，自动上下料机械手是工业自动化发展的必然产物。在复杂的流水作业和恶劣的生产环境中，机械手呈现出的优势明显，它具有人类手工操作没有的超精准定位；能够借用现代自动化手段实现对数据的有效分析和综合治理；采用电脑控制器有效提高整体工作效率和操作水平；集成性高，可以增强工序的安全性能；整合数据，实现机床的标准化管理。另外系统中的传感器也起到了至关重要的作用，不断优化相关设备的速度参数，达到机械焊接和装配的集中管控，优化工业机械设备的动态化管理。

2 自动上下料机机械手的应用

自动上下料机械手在广泛的应用中优势突出，对工业生产制造有深远的意义。在工业生产中的突出应用优势是：作业速度比传统人工快；不间断工作，提高了效率；承载物料能力强，运输传送移位精准。这些优点还直接降低了生产的故障发生率。近年来已经得到了大量的推广，多个行业的工业生产线都已引入了机械手。例如，汽车制造（图1）中的应用、工业控制（图2）的应用、工业机器人（图3）的应用。随着工业制造业的持续发展，机械手在应用中不断地积累经验、改进技术，使工业生产制造效率更高，为企业带来更多的经济效益。

图1 汽车制造

图2 工业控制

图3 工业机器人

3 自动上下料机机械手流程设计

这种融合自动上、下料的机械手生产线，结合了机械制造、传输传感、自动化控制、人机配合等先进技术，完全符合生产线的需要，节约资源，达到设备最大化利用，减少了复杂环境下不必要的人员浪费，保证了人员的安全，而且机械自动化可以实现生产线的不间断工作，保证了系统高效运行，提高产量保证质量，是工业生产自动化发展的必然阶段。

3.1 机械手上料流程

（1）自动装置机械手的上料机工作流程，首先是通过主轴孔向上顶料，第一根料被顶进主轴孔后，紧接着第二根料顶第一根料，以此类推，后料顶前料。自动上料时V 型槽、主轴孔之间要符合标准配置，没有误差，这种自动上料方式没有间断，24 h 工作，很好地提高了工作效率。

（2）加置上料盘，主要功能是储存一定数量的加工件，保证上料过程不被中断。为了提高效率，当主轴孔顶进新的料后，机械手就直接把加料盘的新料顶入到V 型槽。

（3）在自动化上料时，机械手主要功能就是把毛坯料放入V 型槽，只要有一根进入到V 型槽加料盘之后，下一根毛坯料由于重力的作用就会自动加料给加料盘，如此循环往复，机械手旋转一次，加料进行一次。

（4）当生产线上完成V 型槽入料后，顶料小车开始工作，主要作用是接收毛坯料并匀速向主轴孔顶入。当小车到达前限位时就会迅速后退到后限位，此时小车的运送顶入工作已完成，机械手就会开始下一个重复的放进工序，继续给V 型槽顶料。

3.2 机械手下料流程

3.2.1 自动化下料机工作流程

机械手自动下料的工作流程简单易操作，符合长线生产工艺的设计原则。文中自动化下料就以自动精密玻璃切裂生产线为例，介绍流水生产线上的机械手下料流程。第一步，自动放入玻璃，接着进入到切割工序，切割机切割玻璃，翻板机翻板玻璃；第二步，被切制好的玻璃又被运送到裂断机压断，第二次切割翻板；第三步，也是最后一步，开始拾取玻璃，通过吸塑盘运输，最后去清洗。整个下料流程中，切割机和裂断机都安装有保障视觉对位功能，保障玻璃切割准确；同时，它还配有粉尘处理装置，生产线流程上还贴有防护罩，警示，避免操作人员误伤事故。

3.2.2 自动化下料机工作原理

这里仍然以上述玻璃生产线为例，它的作用是把处理后的玻璃颗粒运送至吸塑盘，接着把成粒玻璃运送给下一步清洗。在整个工序中，切割后的玻璃被移送给下料机，成粒玻璃被抓置到吸塑盘，吸塑盘再运送到下一个作业流程，整个作业过程稳定不间断，作业细节标准。工作过程中要注意以下6点。

（1）机械手放置玻璃到吸塑盘位置精准。

（2）机械手识别玻璃是否有粘连、是否有破损，被识别出的破损玻璃会自动放入废料箱。

（3）机械手抓取尺寸是可以调节改变的。

（4）控制程序可以设置运行状态和报警指示灯。

（5）设备有手动、自动两种功能，相互配合。

（6）系统的机械设备结构设计合理，配套传送装置稳定可靠。

3.2.3 自动化下料机结构

结合实际生产需要，该结构的功能主要有4个模块，分别是升降传送模块、玻璃盛放台模块、吸塑盘移载模块和下料机械手模块，4个模块互相配合完成一整套下料作业。此例中应用的自动搬运玻璃功能，是常见的工业自动化机械手操作模式，该技术已被广泛使用。

3.3 机械手设计流程

工业自动化机械中，上下料机械手有较多种类，在实践中需要严格筛选类型，以符合实际需要。当前，最为常用的机械手有3类：测量式手抓，搬用式手抓和加工式手抓。这3类机械手工作方式差异较大，工作场景大不相同，要根据实际需要选择配套的类型。机械手在设计开发过程中应结合实际需求不断改进，同时一定要遵循机械生产的原则。

为了避免自动机械手与万能手抓的冲突，机械手秉承工业应用的基础，把机械手的前期工作作为重心，重点突出，在实际应用中发挥它的最大价值。机械手整体架构不仅需要有常用的夹持功能，还要设计其他的专有用途，满足机械手工作性质的需求。同时，还需要配备一个配套的机械按口，主要用来配合尾端执行器，实现标准的工作流程。

搬运式手抓是夹持装置，它有抓取、搬运两项功能；加工式手抓是基于机械手的功能，也可称为另外的一种机械设备，配有焊枪和铁刀等工具，主要是用来进行加工作业。在实际自动化上下料操作时，结合配套的机床作业，使机械手发挥出最大作用。

4 自动上下料机机械手结构设计

文中介绍的自动化生产线上下料机械手的技术参数是：手臂上升和下降的范围区间是500 mm，旋转的运动区间是180°，伸缩方向的区间是500 mm，包含上升下降、打开合闭、伸开缩回、旋转等4种运动。

4.1 整体结构

机械手整理结构主要有机体、手臂、腕部、手部等4个部位。

4.1.1 机械手机体结构

圆形结构的机体完全符合机械强度和保持手平衡要求，是整个联接支撑板，可以承载机械手所有动作的受力，通过有限元分析的手段不断地优化机械手设计结构，达到其受力强度要求。目前，稳定的机身机构采用的是圆形，配备可移动式底座，利用铰制孔螺纹和半凸缘式空心座套连接，再安装圆形套盖，套板上配置支撑板。这样的设计使机械手成为独立的操作系统，方便安装移动，也可与其他工业设备结合，作为便携式机械手配套使用。

4.1.2 机械手手臂结构

机械手的手臂采用不同的工艺设计来满足四种运动需求。上升下降运动是利用丝杠和螺母间啮合，使两者之间相互作用实现手臂上下移动。为设备合理设置螺纹结构，增设双导向平衡装置，保证工作过程中的稳定运行，避免偏置力矩引起的不连续运动或者卡死情况。

4.1.3 机械手腕部结构

机械手的腕部为凸缘式设计，保证手臂的回旋动作顺利进行。伸缩运动的设计是采用液压驱动与内外壁互相配合，满足伸缩要求，遵循最小化结构尺寸原则。机械手的腕部凸缘式设计，外伸是为了保证液压驱动满足180°区间回旋。

4.1.4 机械手手部结构

机械手手部的打开和关闭是利用手指来完成的。手部结构是利用铰链式销轴连接手腕和手指，形成转动副。手臂的伸缩带动回转销轴达到手指开合功能。一般工业上的手指采用的是V 型块结构，也有部分企业使用圆弧外抱式、直行防滑垫式结构。实际机械制造中，会针对工业件的大小、形状，灵活切换模式，减少工业成本投入，提高机械手的通用性。

4.2 机械手丝杆尺寸结构

机械手是通过丝杆实现上升和下降运动的，设计丝杆时应该根据刚度确定尺寸和主要参数，对机械手的稳定性和自锁校验。实际操作过程中，可以依据机械的承载和成本投入，确定丝杆的设计。

4.3 机械手手部建模

机械手的手部建模是三维实体模型，在底层根据零件要求插入装配体形成建模模型。

4.3.1 机械手手爪的建模

在机械手的装配模块中，在装配界面先选择上手抓零件，再插入零部件按钮，通过界面菜单调出V型块，机械手平面基准的配合可以选择两个同心圆，最后组合形成手指和手掌的装配三维图模型。

4.3.2 机械手手部与腕部装配

在装配模块界面中，将腕部、手部以及零件驱动在同一界面装配。接着通过配合管理器来选取腑部装配体和手部驱动油缸，腕部驱动油缸和腕部装配体，再设定两个需要配合的基准装配轴曲面，实现手部与腕部的装配。

4.3.3 机械手手部实体运动仿真

最后点击进入动画界面管理，选择动画向导，使用旋转运动基准轴，调整手的转动方向和旋转次数。在左侧的关系树中利用时间轴选择配合的尺寸，模拟出机械手部动作路线。这样形式的设计，手部运动显示直观，修改方便，可及时修正减少不必要的损失，也降低了制造成本。

5 结束语

综上所述，生产线的机械结构设计是一项综合性强，功能复杂的加工工艺。随着当代科技的加速创新，机械生产线的自动化流程也跟着发生了翻天覆地的变化。对一种生产线来说，科学合理地设计自动化上料下料工艺，不断改进生产线结构运行参数，提高效率，可实现工业机械化生产的高质量目标。当然，工业生产管理人员还要不断提高专业技术人员的个人能力，结合生产线的实际情况，全线管理，制定合理的机械运行管理机制，借用先进的科学技术，发挥自动化上料下料机械手的最大优势，使机械工件运行时间、生产质量达到预期目标。另外，机械手三维实体建模可以模仿整机结构进行模拟装配，仿真检验运动情况；在满足机械设备运行功能的前提下，对主要工作部件进行强度校核等，这些都是对自动化上下料机械手进行优化的措施。