新型氣脹手爪的研制

何鴻強，徐 慧

HE Hong-qiang,XU Hui

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

長期以來，于化纖、造紙、印刷、塑料、紡織等行業中，廣泛存在對桶料的搬運工序，在自動化生產越來越發達的今天，傳統的人工搬運生產模式無論從生產效率還是人力成本，都已無法適應現代化企業發展的要求。更多廠商現已投入機械自動化生產線，完成對料筒的搬運。

目前，用于撐持筒料的定位軸一般采用氣脹式和機械式脹軸兩種，而氣脹式因其在使用過程中操作方便、省力、可靠、重量輕的特點，被大多數用戶所接受。但現有的氣脹軸采用楔形機械結構，缸身體積龐大，安裝所需位置要求嚴苛，爪體緊縮半徑較小，無法滿足對種類繁多的料筒的抓取，因此急需研制一種能夠靈活應用于生產流程，滿足各種搬運要求的多功能手爪，下面介紹基于凸輪擺桿結構的新型氣脹手爪的研制過程。

1 研究內容分析

1）操作對象

在本實際項目中，機械手爪需要搬運的對象為紗錠，重量為5.5公斤，高290mm，直徑230mm,紙筒內徑 67mm（具體尺寸如圖1所示）。由于產品的特殊性，嚴禁損壞紗錠外表面，要求抓取形式必須是內脹式，且不能破壞紗筒內壁結構。這就要求手爪有更小的體積以及更牢固的抓取方式。由于紙筒上端有翻邊，直徑僅為57mm，考慮到定位的難度，實際要求手指收攏與張開的直徑差至少需要26mm。

2）工作方式

在實際成產流程中，工藝要求必須滿足一次性抓取多個紗團，并且各工位紗團放置位置都不盡相同，在搬運過程中需改變紗團間位置關系，這就要求研制的氣脹手爪必須有小巧的體積，靈活方便的安裝方式，適應性強的結構特點，并能夠準確定位放置紗團。

2 機械性能指標及系統研究

2.1 新型內脹式手爪的研制思路

根據上述技術指標要求，傳統氣爪采用的楔形結構，由于三角形三邊關系結構束縛，同等行程的氣動元件，所能達到的半徑變化量較小，無法滿足產品要求，對于本產品紗團的抓取必須采取結構簡單緊湊，緊縮半徑較大，動作靈活、能夠穩定撐持工件的內脹式手爪抓取。

我們借鑒凸輪結構及杠桿原理，巧妙的把普通氣缸的直線運動變化成徑向位置的變化，使其具有較好的傳力特性，同時結構緊湊。

為了實現以上目的，本方案利用直線氣缸推動主心軸桿上下運動，臺階面推動脹爪擺塊圓周擺動，多個脹爪擺塊的末端撐開以頂到工件內筒內表面而起到脹緊作用，從而起到脹緊工件的要求。通過主心軸臺階面的后止口頂住脹爪擺桿的上面起到定位的作用。

2.2 詳細結構介紹

下面結合圖2、圖3對本研究氣爪進行詳細描述。

圖2 凸輪式氣脹手爪結構圖

所述凸輪式氣脹手爪包括：

主心軸桿頂部螺桿：用于主心軸與直線氣缸的連接，實現動力的傳輸；

主框架：用于脹爪的固定安裝，以及爪體與直線氣缸的連接；

主芯軸：其上端有螺紋，與氣缸連接，芯軸上有多個臺階，每組臺階間固定多個脹爪擺塊，脹爪擺塊呈上下位置排列，臺階面與凸輪擺塊的凸輪面相接觸，心軸底部伸入主框架底端的滑動軸承孔中；

直線氣缸，其與支架連接，為動力源；

安裝支架，用于氣脹手爪與整體夾具的連接；

圓盤安裝止口：用于準確定位，防止爪體在工作中產生竄動；

框架豎棱：用于安裝脹爪擺塊，是手爪的主體框架；

圖3 凸輪式手爪外形圖

凸輪面：主心軸上下運動時推動的脹爪擺塊端面，是主要的受力部位；

脹爪連接軸：用于連接脹爪擺塊于框架豎棱，是重要的連接件；

凸輪桿脹爪擺塊：其用連接軸固定于框架豎棱間，是脹取工件的主要受力零件。

銅套：起到滑動潤滑，減低磨損的作用；

框架頂端錐面：用于定位抓取時增大偏差允許量。

上述的凸輪式氣脹手爪，其中，所述的直線氣缸底部與主框架頂部利用四個螺釘連接。主框架由6條豎棱組成，每2條一組，上面各帶有2排通孔，銷軸分別穿過第一條棱、脹爪擺塊和第二條棱，起到固定脹爪擺塊的作用，銷軸頂端利用圓錐銷固定。脹爪擺塊的突輪面與主心軸的臺階面相接觸，通過直線氣缸的運動，最終實現脹爪擺塊的運動。

2.3 設計注意事項

1）對于擺塊的凸輪面基圓半徑選得越小，壓力角越大，設計所得的凸輪尺寸雖小，但對受力情況不利，嚴重的還會發生自鎖現象，因此在空間允許的條件下應選取較大的基圓半徑以改善凸輪的受力情況。

2）擺塊凸輪面容易磨損，主要原因之一是接觸應力較大。促使凸輪磨損的因素還有載荷特性、幾何參數、材料、表面粗糙度、腐蝕、滑動、潤滑和加工情況等。其中潤滑情況和材料選擇對磨損壽命影響尤大。為了減小磨損、提高使用壽命，除限制接觸應力外還要采取表面化學熱處理等措施，以提高材料的表面硬度。

圖4為加工成品圖，圖5為現場使用圖。

圖4 凸輪式氣脹手爪成品圖

2.4 手爪動作監控措施

氣脹手爪工作過程中，采用磁性開關信號監控。在抓取之前，檢測氣缸收回位置磁性開關是否有信號，以保證脹爪全部收回，能夠順利進行抓取。在脹爪達到抓取位置后，直線氣缸運動，當檢測到氣缸到位位置磁性開關信號后，說明氣爪已撐持住料筒，允許搬運動作。在此過程中，信號的檢測，保證爪體不損傷料筒，并順利完成抓取動作。

圖5 1×6機械手氣脹手爪

3 關鍵技術及創新點

本研究研制的內脹式手爪，結構是將氣缸的直線行程轉變為手指擺塊的徑向圓周變化，通過對氣爪擺塊形狀的設計，可以滿足各種工況下對脹爪的不同要求，同時大幅度降低了驅動裝置的成本，給生產提供了經濟、可靠的技術支持。

4 結束語

本研究成果已申請實用新型專利1項，并獲批準。

氣脹手爪在現有工程里均會使用上百套。如果采購國外的同類產品，每套約11500元。而我們研制的產品批量成本僅約為4000元，從經濟上節約了大量成本。 且，此類機器人手爪的研制成功，不但可以在化纖行業廣泛應用，還可以應用在玻纖、乳業食品等行業，為我單位開拓了更廣泛的業務范圍，進一步提高了競爭能力。