多功能葉臘石碼垛執行器的開發

譚敢闖，馮曉鵬，劉方方，張世欣

（1.河南明華智能系統研究院有限公司，河南鄭州 450000；2.河南省超硬材料智能制造裝備集成重點實驗室，河南鄭州 451191）

0 引言

臘石用于金剛石合成過程，作為密封、保溫和傳壓介質[1-3]。對葉臘石進行微波爐烘烤后，目前需要人工逐步地將葉臘石碼垛，每行與每列都要整齊地擺放在托盤中。由于托盤外形較大，人工碼垛費時費力，也不夠整齊。碼垛機器人是機械與計算機程序有機結合的產物，提高了生產效率，在碼垛行業有著廣泛應用[4-5]。碼垛機器人大大節省了勞動力和空間。碼垛機器人運作靈活精準、快速高效，穩定性和作業效率高。

機器人末端執行器是指任何一個連接在機器人邊緣（關節）具有一定功能的工具[6]。要實現工業機器人對葉臘石的高效準確碼垛，還需要開發專用的末端執行器。

1 末端執行器的結構

執行器包括三軸行架。三軸行架能夠在三維方向上運動，三軸行架上連接有抓手。抓手包括抓手本體，本體上配合連接有壓爪。壓爪的相對側面上設置有側固定板，壓爪與側固定板之間的距離可調。抓手本體的前方設置有整形板，整形板由整形動力氣缸驅動，待抓取物料由整形板整形后，被夾持在壓爪與側固定板之間，如圖1 所示。三軸行架包括X 軸行架、Y 軸行架和Z 軸行架。Y 軸行架固定在框架結構上，X 軸行架垂直固定在兩根平行的Y 軸行架上，Z 軸行架垂直固定在X 軸行架上。抓手固定連接在Z 軸行架上，X 軸行架與Y 軸行架之間、X 軸行架和Z 軸行架之間均通過滑軌滑塊配合，如圖2 所示。

圖1 抓手

圖2 三軸行架

三軸行架在Y 軸方向上的運動由電機Ⅰ驅動，為X 軸行架在Y 軸行架上的運動，電機Ⅰ連接在X 軸行架上。三軸行架在X 軸方向上的運動由電機Ⅱ驅動，為Z 軸行架在X 軸行架上的運動。三軸行架在Z 軸方向上的運動由電機Ⅲ驅動，為Z 軸行架在豎直方向的移動。電機Ⅱ和電機Ⅲ均連接在X軸行架上。

抓手通過連接板與三軸行架固定連接在一起。連接板固定在抓手本體上，抓手本體固定連接有導軌，壓爪通過滑塊配合在導軌上。壓爪由壓爪氣缸驅動，壓爪和側固定板之間設置有上固定板，上固定板固定在抓手本體上。并排設置有5個壓爪氣缸，每個壓爪氣缸上均連接著1 個壓爪。抓手下方設置有微波爐設備，微波爐設備固定有擋板，擋板與抓手的整形板配合，待抓取物料由整形板和擋板整形后，被夾持在壓爪與側固定板之間。

微波爐設備后方設置有托盤支架，托盤支架設有托盤，抓手從微波爐設備夾持待抓取物料移送到托盤上。

2 碼垛的實施

多功能葉臘石末端執行器結構如圖3 所示。由于Z 軸行架垂直固定在X 軸行架上，X 軸行架移動時會帶著Z 軸行架一起移動。抓手固定連接在Z 軸行架，Z 軸行架在豎直方向上的移動改變抓手在豎直方向上的高低位置。3 個電機分別驅動3 個方向上的行架來改變抓手的空間位置，實現抓手的抓取及碼放。并排設置有5 個壓爪氣缸，每排之間零件有可能大小不一，因此一個壓爪由一個壓爪氣缸驅動。壓爪氣缸驅動壓爪沿著導軌移動，從而改變壓爪與側固定板之間的距離。

圖3 多功能葉臘石末端執行器

當微波爐設備上烘烤好的葉臘石走到擋板處后停止，通過三軸行架將抓手移動到葉臘石上方，整形動力氣缸和整形板對葉臘石來料方向進行整形，通過整形板與擋板將葉臘石在前后兩個方向上整理整齊，壓爪氣缸與壓爪對葉臘石來料的垂直方向整形及固定，即對葉臘石在左右兩個方向上整形。整形后抓手抓取葉臘石，通過三軸行架帶動抓手移動，將葉臘石碼放到托盤中，然后逐續擺放。

3 本研究對行業的啟示

超硬材料被稱為“工業牙齒”“終極半導體”“材料之王”，是現代工業高端發展不可替代的高檔工具之一，對國民經濟發展有百倍以上的杠桿撬動作用。世界的超硬材料看中國，中國已經形成巨大的超硬材料產業鏈優勢。但是，“大而不強”的問題日益突出。目前人造金剛石生產過程中，大量依靠人工操作生產設備、調整工藝參數，這是導致金剛石質量不穩定的主要因素。尤其隨著壓機的大型化，人工操作設備已經越來越不現實，當前的裝備技術和生產工藝已經不能滿足生產需求，急需轉型升級。例如，采用工業機器人代替人工操作設備，應用大數據技術實現工藝自動化等。本文介紹用于工業機器人碼垛的多功能葉臘石碼垛執行器的開發，有利于工業機器人代替人工操作設備。從整個人造金剛石行業來看，轉型升級可在以下3個方向進行。

（1）研發石墨柱智能生產。開發自動壓制單元，實現自動送粉、自動稱重、自動壓制、自動測高、自動稱重、自動打標、自動碼盤等系列功能。

（2）研發人造金剛石合成車間智能化生產系統。研發機器人自動上下料系統，實現高精度合成自動控制、自動放合成塊、自動取合成塊、自動清理頂錘技術。研發高精度頂壓機控制系統，提高合成質量及效率。研發合成塊自動保溫轉運系統、行架機械手取放合成塊系統、數字化增壓系統、工藝優化控制系統。實現金剛石合成自動化、智能化，解決壓機大型化人工操作困難等問題，降低頂錘消耗。

（3）研發合成工藝智能優化系統。引入大數據技術，在金剛石合成過程中實時高效采集功率、溫度、壓力、位移、電阻率、外阻值等各種工藝及設備信息，與金剛石產品的性能指標進行相關函數對比分析，構建金剛石合成大數據。研發建立標準數學模型，對數據進行挖掘及分析，實現對合成工藝自動分析、存儲及優化，達到提高金剛石產能及品質的目標。

4 總結

通過壓爪氣缸以及整形動力氣缸的夾取動作，實現了對來料的多排列抓取，從而快速對來料碼垛，減輕人工勞動強度，提高了生產效益。最后，展望人造金剛石行業智能化改造的3 個研發方向及目標。

本研究受到鄭州市重大科技創新專項“人造金剛石智能制造工藝與裝備研究開發及產業化”項目資助。