鋼筋網(wǎng)焊機(jī)下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

張佃平

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

鋼筋網(wǎng)焊機(jī)下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

張佃平

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

鋼筋網(wǎng)焊接過程中下料大多采取人工碼垛，耗費(fèi)工時(shí)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、碼垛時(shí)整齊度不夠，并且在碼垛過程中容易對(duì)鋼筋網(wǎng)搭接焊點(diǎn)造成一定的損害。針對(duì)鋼筋網(wǎng)的下料和碼垛，設(shè)計(jì)了一套機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)焊接鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓取下料，并且能夠按照生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)多位置碼垛。

鋼筋網(wǎng)；焊機(jī)；機(jī)械手；下料

0 前言

焊接鋼筋網(wǎng)是通過專用焊接設(shè)備，將縱向和橫向鋼筋分別以一定間距垂直疊交排列焊接在一起的一種代替人工制作、綁扎的新型、高效、優(yōu)質(zhì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑用材。焊接鋼筋網(wǎng)具有節(jié)省鋼材、網(wǎng)格尺寸及外形準(zhǔn)確、便于實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝和施工等特點(diǎn)；焊接鋼筋網(wǎng)相比于人工捆扎可以增加連接力，剛性好，抗沖擊，抗松散變形；安全美觀，消耗低，價(jià)格低[1]。所以焊接鋼筋網(wǎng)越來越多的應(yīng)用在工程施工中。

鋼筋網(wǎng)焊接過程中，鋼筋網(wǎng)的下料一般由人工完成下料和碼垛作業(yè)，成本高且效率低，容易損壞搭接焊點(diǎn)以及易出現(xiàn)意外工傷事故[2]。在有些鋼筋網(wǎng)焊接設(shè)備上添加了鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)下料裝置，但主要以定點(diǎn)落料為主[3]，存在的主要問題有：（1）落料高度不能調(diào)整，落料過程中容易損壞搭接焊點(diǎn)；（2）只能實(shí)現(xiàn)單工位落料碼垛，影響了生產(chǎn)的連續(xù)性。

本研究針對(duì)鋼筋網(wǎng)焊接過程中鋼筋網(wǎng)的下料和碼垛自動(dòng)化的需求要求以及現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，設(shè)計(jì)了一套機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)焊接鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓取下料，并且能夠按照生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)多位置碼垛。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)的功能是：（1）鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓取；（2）按照預(yù)定的碼垛位置，完成鋼筋網(wǎng)的提升、轉(zhuǎn)運(yùn)、下降以及碼垛功能。根據(jù)上述功能要求，設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要包括以下部分：鋼筋網(wǎng)抓取機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及機(jī)械手整體升降機(jī)構(gòu)。機(jī)械手三維示意如圖1所示。

圖1 機(jī)械手三維模型示意

1.2 機(jī)械手工作原理

機(jī)械手主要完成鋼筋網(wǎng)的抓取，工作臺(tái)面一定高度的提升，抓取機(jī)構(gòu)在懸臂的帶動(dòng)下帶著鋼筋網(wǎng)整體旋轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后，鋼筋網(wǎng)隨著旋轉(zhuǎn)臂的下降而下降，到達(dá)設(shè)定位置后停止，抓取機(jī)構(gòu)放開鋼筋網(wǎng)完成一張鋼筋網(wǎng)的下料和碼垛過程。需要說明的是，旋轉(zhuǎn)臂的下降高度隨著鋼筋網(wǎng)垛高的增加而調(diào)整，以防鋼筋網(wǎng)自由下降損壞鋼筋網(wǎng)，并保證垛位的齊整，旋轉(zhuǎn)臂下降后待碼垛鋼筋網(wǎng)與垛面的高度差小于10 cm。機(jī)械手的工作流程如圖2所示。

圖2 機(jī)械手下料及碼垛工作流程

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手抓手的設(shè)計(jì)

2.1.1抓手的總體設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的機(jī)械手抓取質(zhì)量在60 kg以內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)抓手尺寸緊湊、質(zhì)量輕、控制方便，抓手動(dòng)力擬采用氣壓傳動(dòng)。鋼筋網(wǎng)由網(wǎng)格化組成，在抓手設(shè)計(jì)上采用類人手型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)四指型實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋網(wǎng)的抓取，如圖3所示。

圖3 機(jī)械手抓手三維模型示意

2.1.2抓手的力學(xué)分析

根據(jù)抓手抓取鋼筋網(wǎng)時(shí)的工作情況，以及其工作過程中所受到的力，建立的力學(xué)模型如圖4所示。

1—手指；2—銷軸；3—吊桿圖4 機(jī)械手抓手力學(xué)模型示意

在吊桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，F(xiàn)1和F2的延長(zhǎng)線于A及B[4]。

式中a為手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（單位：mm）；α為工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。

由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，α角增大，則握力FN也隨之增大，但α角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大和手部結(jié)構(gòu)增大，因此α=30°～40°。

2.2 整體提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

整體提升機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的主要支撐和運(yùn)動(dòng)部件，其作用是支撐腕部和手部（包括鋼筋網(wǎng)），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。此機(jī)構(gòu)主要包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)。為了減輕機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，使其運(yùn)動(dòng)更靈活，臂部采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的鋁合金材料；為了保證鋼筋網(wǎng)碼垛高度的精確，臂部的升降采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)。整體提升機(jī)構(gòu)示意如圖5所示。

3 結(jié)論

焊接鋼筋網(wǎng)下料機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)下料和碼垛，改變了原有的鋼筋網(wǎng)焊機(jī)采用人工完成鋼筋網(wǎng)下料和碼垛的過程，極大提高了網(wǎng)焊機(jī)的工作效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，機(jī)械手不僅減少了鋼筋網(wǎng)碼垛時(shí)的損壞，還能實(shí)現(xiàn)多位置碼垛。

圖5 整體提升機(jī)構(gòu)三維示意

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理和形態(tài)學(xué)變換之后的圖像提取特征點(diǎn)，計(jì)算出圖像中心線和邊緣線的走向和位置。

4.3 視覺檢測(cè)系統(tǒng)軟件編程

Visual C++6.0提供Active X控件MSComm進(jìn)行串行通信編程。機(jī)器人控制端需要使用ABB公司開發(fā)的RAPID語言編寫串行通信程序。

圖像處理軟件的主程序框架如圖11所示，機(jī)器人端程序框架如圖12所示。

圖11 主程序流程

圖12 機(jī)器人程序流程

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的管樁端板機(jī)器人焊接系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)端板毛坯從上料、供料、焊接的高度自動(dòng)化。機(jī)器視覺焊縫檢測(cè)系統(tǒng)解決了因焊縫寬度不均勻、走向不確定而影響焊接效果的問題，使得整個(gè)機(jī)器人焊接系統(tǒng)更加智能化。雙工位供料的設(shè)計(jì)，保證了管樁端板連續(xù)、高效地焊接。同時(shí)，多種安全防護(hù)、報(bào)警、監(jiān)控裝置能夠確保焊接系統(tǒng)持續(xù)、安全、高效地運(yùn)行。

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Design of welder manipulator for laying off steel fabric

ZHANG Dianping
（School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

There are a lot ofproblems when workers layoffthe steelfabrics in the process ofthe steelfabric welding，such as consumingmore work time and labor intensity,insufficient uniformityofstackingand damage ofweldingspots on steelfabric when stacking.For the laying-off andstacking,asetofmanipulatorisdesignedtorealizeautomaticlaying-offandmulti-positionstackingaccordingtoproductionrequirement.

steel fabric；welder；manipulator；laying off

TG439.9

B

1001－2303（2016）06－0047-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.09

2015-12-22

張佃平（1981—），男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事機(jī)械制造和機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)和研究工作。