抱箍胶套自动化装配流水线机械手设计

童奇波，康宗善，陈 才

（1.宁波市镇海区职业教育中心学校，浙江 宁波 315201；2.阿克苏地区库车中等职业技术学校，新疆 阿克苏 842000）

引言

抱箍在房屋装修、管道安装以及工程建筑上有着广泛的应用。抱箍材质基本为金属，随着社会的发展，在金属的抱箍中安装一个具有相对弹性及摩擦性更好的胶套，使抱箍在使用时更具固定性及稳定性，对被固定的管道等也具有很好的保护作用。很多国内外的客户都要求给抱箍装配一个胶套，以便软胶套保护被固定的管道或其他零件[1]。

在中等职业学校里，有传统大类的专业是机械类专业，为了服务社会，进行校企合作，机械专业教师经常有机会带领自己的学生下企业调研。在调研中发现企业里有一种给抱箍套胶的手工劳动，不仅需要大量人力，而且劳动强度很高，同时也会因为是人工裁剪胶条的问题造成胶套长短不均匀。

但目前国内外还没有这种给抱箍套胶的全自动装配流水线机械设备，所以经过大量的实践论证之后研发设计了一种抱箍胶套自动化装配的流水线设备。其中抱箍胶套自动化装配流水线设备的机械手由切断机构、夹取机构、套胶机构三个部分组成。

1 机械手设计

1.1 设计思路

针对前面提到的问题，作为机械专业教师为了能够解决企业面临的问题，所以希望设计一款全自动为抱箍装配胶套的流水线机械设备，能够代替手工操作的机械设备，减轻对人体手指的伤害，降低劳动强度，提高工作效率，同时也更能适应目前机械行业自动化生产的需要[2]。

在抱箍装配胶套的流水线机械设备当中，多用途切断、夹取以及套胶等环节机械手发挥了较大的作用，能够帮助工人在危险的环境中进行各种操作。结合目标要求，该自动化设备的思考与探索有：抱箍的大小型号有很多种，首先要满足对胶条长度的裁剪进行控制；要解决把胶套装套在抱箍上，需要设计一款剥胶和套胶装置；要实现自动化控制，还需要设计一些PLC小程序来代替人工操作；利用气动装置来配合自动化操作等等。

1.2 机械手的组成和结构设计

普通气动机械手一般由执行、驱动、控制等机构组成。

1）执行机构。由传递装置、驱动装置、控制系统以及末端操作器组成。

2）夹持部分。这是机械手的独立的执行部件，抱箍装配胶套的流水线机械设备的夹持部分采用丝杆和气缸配合四连杆机构控制手抓的加紧、释放。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部，夹持式手部由手指（或手爪）和传动机构所构成。由于抱箍装配胶套的流水线机械设备夹持的物件是相对比较平直的胶带，所以，只需要设计成夹持式手部即可。

3）手臂。手臂在进行伸缩或升降移动时，为了使手臂在直线运动过程中不致发生相对运动，以保证手部运动方向的正确性。所以这就需要导向装置，同时在设计导向装置时要考虑到实际载荷的大小，手臂长度行程以及手臂安装方式的影响[3]。

4）立柱。立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。

5）机座。机械手的各执行机构部件和气动驱动系统都安装在机座上，主要起支撑和连接的作用。

6）驱动机构。驱动机构一般的常用的液压驱动，气压驱动和电气驱动，抱箍装配胶套的流水线机械设备机械手主要采用气动驱动，当然在抓取胶带部分另外设计了一个电动驱动的丝杆机构配合气动驱动。

7）控制系统。控制系统向机械手发出各种指令，让其能够再找要求完成各种任务的装置。

8）检测装置。检测装置由安装在气缸缸体外壁的传感器组成，传感器检测气缸伸出杆的位置去完成前后气缸的动作顺序，已达到所有机械手的配合，达到自动运行的效果。

所以，抱箍装配胶套的流水线机械设备为了达到设备的全自动化运行，根据抱箍胶套自动装配的工序流程，采取了如下措施：采用PLC控制胶条切断机构切断胶条，由机械手抓取切断的胶条进入套胶机构等待，同时输送机输送抱箍进入设备，并由抱箍自动取出机构将抱箍放入“U”形凹槽，装有抱箍的“U”形凹槽进入套胶机构，套胶机构自动将胶条套进抱箍，完成套胶的抱箍由输送机送出设备外部，全部动作完成[4]。

如图1所示胶条切断机构由胶条压送滚筒（25）和切刀（21）组成。下压气缸左侧的总机架中固定设置有断料气缸，总机架的下侧固定设置有刀架导轨，断料气缸的伸缩杆下端固定连接有断料刀架，断料刀架滑行在所述的刀架导轨上，断料刀架下端固定有断料刀，断料刀可将胶带切割成所需长度的胶套（3）。

所示伺服马达可以根据抱箍大小调节胶条送入长度并进行切断。胶条切断机构采用三菱PLC控制机械手，当抱箍套上以后电机正转，夹取胶条，机械手抓紧之后，电机反转，根据抱箍大小调整回缩的长度，当电机停止后，切刀伸出切断胶条。

如图2所示夹取机构由气缸（35）、连杆（34）、连杆接头（32），双摇杆机构（31）、胶条支撑导轨（33）组成。胶套扩张槽件右侧的总机架上固定设置有胶套抓取机构，胶套抓取机构包括移动架及四连杆机械抓，四连杆机械抓的左侧二连杆之间交叉轴接在所述移动架的左端，四连杆机械抓的右侧二连杆的右端分别轴接有开合连杆上，开合连杆活动设置在移动架中，开合连杆的右端与移动架的右端之间设置有机械抓开合气缸；移动架的下侧固定有限位滑条，限位滑条活动在总机架上侧的限位滑槽中；移动架的右端与其相对应的总机架之间设置有移动架平移气缸。连杆机构可以准确的对已切断的胶条进行抓取，并拖动到套胶位置。

如图3所示套胶机构由下顶气缸、下压气缸，抱箍支撑架（11），下压模（12）组成，而整个机构均安装在整体机架（1）上，下顶气缸安装在气缸支架上（17）。碰撞式装配机构后侧的总机架中设置有输出机构，输出机构包括输出动力及抱箍接送叉，碰撞式装配机构后侧的总机架上固定设置有叉架限位滑条，叉架限位滑条中活动设置有叉架移动件，叉架移动件的前侧固定设置有抱箍接送叉，抱箍接送叉为左右两条；叉架移动件的后端与所述相对应的总机架之间设置有叉架伸缩气缸。

该抱箍胶套自动化装配流水线机械设备（如下页图4所示：A为前，B为后，C为左，D为右，1为总机架，2为电脑程序控制台）的最终效果是，节约抱箍上胶套的大量人工，降低抱箍上胶套的劳动强度，提高效率，结构简单，PLC全自动控制。这种抱箍胶套自动化装配流水线，包括抱箍、胶套、碰撞式装配机构、断料扩张机构、胶套抓取机构、抱箍输入机构、移动抓取机构及输出机构，这些机构分别安装在总机架上，并由电脑程序控制台自动控制，抱箍胶套自动化装配流水线还包括各种气缸，各种气缸包括一端活动设置的气压伸缩杆；其特征在于碰撞式装配机构包括设置在下侧的上顶装配架及设置在上侧的下压装配件，上顶装配架与下压装配件之间的总机架上固定设置有胶套扩张槽件，胶套扩张槽件为左小右大，胶套扩张槽件的前后之间设置有抱箍上顶孔；上顶装配架活动设置在前后平移架中，前后平移架活动设置在总机架下侧的前后平移滑条中，前后平移架与所述的上顶装配架之间设置有抱箍上顶气缸，前后平移架与其后侧的总机架之间设置有前后平移气缸；下压装配件固定设置在下压滑架中，总机架下侧固定设置有下压限位滑条，下压滑架活动设置在所述的下压限位滑条中。

2 研制过程

由于该自动化设备的研发团队由指导老师和学生组成，教师和学生都是来自学校机电学院的教师和学生，所以在此次抱箍胶套自动化装配流水线设备的机械手过程中，专业教师带领几名研发团队的学生，研发设计了该自动化设备，抱箍胶套自动化装配流水线设备的机械手，之后又通过专业软件SolidWorks设计实体造型，CAD软件出图，机床加工零件，然后外协进行零件的热处理，零部件安装成型，设备整体安装，最后由校企合作企业配合配套的PLC整体设计，加装自动化控制程序和人机互动触摸屏，最终顺利完成抱箍胶套自动化装配的流水线设备的安装。

经过抱箍胶套自动化装配的流水线设备一段时间的试运行，以及设备的验收投产，总结了抱箍胶套自动化装配流水线的创新性有以下四个方面：

1）自动化控制。该产品利用PLC自动控制程序，结合气动操作，可以实现按钮操作的自动化控制。不需要像传统工艺那样，人力裁剪、剥胶、套箍等，节约了不少的人力物力。

2）适合各种大小型号的抱箍。通过调整程序的简单参数，即可实现对胶套长度的控制。这样便可以对不同型号大小的抱箍进行套胶。

3）安全性。该装置采用程序控制，只需在操作面板上进行按钮操作，即可实现进胶、裁剪、移位、套胶等的一些操作动作，不需要人工裁剪，也不需要人工剥胶套胶等，不会对手指造成损伤，相对比较安全。

4）便捷性。流水线作业，PLC气动控制，通过参数设置，能很好地适应各种型号抱箍的套胶动作，打破了传统的手工操作，提高了生产效率。

3 结语

作为学校机电学院机械专业的中职专业教师，一直在探求设备智能制造上的创新，立足于改善生活生产中的不足，希望能借助职业教育的资源力量和技术优势，更多地为本地企业做出一点贡献。

本次抱箍胶套自动化装配流水线机械手的设计，主要的特点有：贴近生产实际，具有较好的市场推广价值；设计中有独特新颖之处，且已向国家知识产权局申请了专利；具有技术先进性，秉承机电一体化的先进制造理念，融合了软件产品设计、PLC控制技术、机械传动机构、机加工等各方面技术；体现了较强的专业性，贴近生产实际，自动化控制有效地替代了手工操作，要求操作人员具备基础的机电专业操作知识与技能；整套产品完整齐全，产品美观实用。全套的CAD图纸和三维模型均已成型，专利证书也正在申请中，意向合作企业的产品也已推广使用，反馈良好。