適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構的設計

□ 孫庭偉

北京航天斯達科技有限公司 北京 100076

1 設計背景

近年來,工業六軸機器人在行業內的應用得到蓬勃發展,物流生產線碼垛搬運是工業六軸機器人系統集成技術應用的典型代表。機器人動作由機器人本體和末端執行器共同完成,機器人本體及相關控制已經規模化。但在實際生產過程中,機器人末端手爪的適配性不是很高,需要專機專用,根據實際情況進行非標設計。筆者設計了適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構,可以抓取多種直徑、多種長度的缸筒零件。

2 技術要求

機器人本體通過機器人末端執行器,即機器人手爪將缸筒從A點抓取,放置到B點進行碼垛,機器人手爪需要同時考慮夾持方式和A、B兩點的定位工裝,還需要兼容不同長度和直徑的圓柱形缸筒。

采用安川GP180型機器人,有效負載為1 800 N,搬運區域直徑為2 702 mm。要求機器人手爪可搬運重力為300～600 N的缸筒,缸筒的直徑為110～200 mm,長度為600～1 400 mm。機器人手爪抓取缸筒的位置為輸送線加托盤,托盤采用V形塊支撐,如圖1所示。機器人手爪放置缸筒碼垛位置為木托盤,每層碼垛五個,最高碼垛四層,位置固定,如圖2所示。

3 技術難點

由上述要求可以大致構思出機器人手爪的結構設計方向,技術難點主要集中在總載荷控制、多個品種兼容和抓取空間三個方面。

分析機器人有效負載與搬運缸筒載重的關系,機器人手爪要求總載重控制在1 100 N之內。為適應缸筒直徑的變化,機器人手爪完全張開后需要大于200 mm,閉合后需要小于110 mm。為適應缸筒長度方向的變化,保證機器人手爪抓取的穩定性,機器人手爪軸向寬度也需要能夠調節。分析機器人手爪的抓取和放置空間,機器人手爪各個方向具有可調節性,但抓取缸筒和放置缸筒的位置基本保持不變,由此對機器人手爪的抓取空間提出了要求,在進行不同規格缸筒碼垛時,需要控制好抓取位置。

4 機架主體及連接法蘭

機架主體及連接法蘭總體結構如圖3所示,機架主體如圖4所示,連接法蘭如圖5所示。機架主體是機器人手爪的基礎機構,為其它機構提供支撐和連接。連接法蘭與機架主體相連。連接法蘭上端連接機器人第六軸末端,通過定位環和定位銷限位,保證機器人手爪和機器人的相對位置固定,再用六個M10螺釘連接緊固。機架主體由Q235鋼焊接而成,整體形狀近似槽鋼,既保證整體的強度,又可最大限度節省材料。由于機架主體自身質量較大,在保證強度的基礎上,對連接板進行打孔,減輕質量,并預留安裝孔位。

5 梯形絲杠導軌滑塊移動件

梯形絲杠導軌滑塊移動件如圖6所示。梯形絲杠導軌滑塊移動件是適應缸筒長度方向變化可以進行調整的裝置,整體與機架主體連接,下方連接至兩組手爪裝置。

梯形絲杠導軌滑塊移動件主要組成部分有梯形絲杠、絲杠左旋螺母、絲杠右旋螺母、防轉固定件、幅式手輪、固定側支座、直線導軌、支撐側支座、定位塊。

固定側支座與支撐側支座固定在機架主體上,中間穿入梯形絲杠。梯形絲杠中間穿入絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母,保持相對位置居中,旋轉端增加防轉固定件。在調整完位置后,扣下防轉固定件,防止梯形絲杠轉動。松開防轉固定件,轉動幅式手輪,可以移動絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母。直線導軌固定在梯形絲杠兩側,其中一側采用定位塊固定。手爪裝置上的滑塊固定在直線導軌上,絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母分別裝在手爪裝置上,可以保證轉動幅式手輪時兩個手爪裝置對稱移動。

6 手爪裝置

手爪裝置如圖7所示。手爪機架為手爪裝置的主體部分,滑塊安裝板和大導軌滑塊安裝于手爪機架上。調整好夾取缸筒位置后,手爪固定件通過緊定螺釘可以與機架主體相接觸,起到防偏移作用。小滑塊和小導軌為手指移動組件,使機器人在抓取缸筒時實現移動。手指氣缸為夾取缸筒提供動力。先導止回閥為保壓裝置,防止在系統突然斷氣后手爪裝置松開,避免抓取的缸筒掉落。氣缸連接件將氣缸和手指組件連接在一起。對中齒輪和齒條組成的機構保證了手爪裝置對中移動的對稱性,使兩組手爪裝置的夾取相互作用力保持一致。

手爪裝置是整個機器人手爪的核心機構,兩組手爪裝置配合,可以抓取不同直徑、不同長度的缸筒。缸筒直徑變化時,手指上裝有位置傳感器,調節之后即可檢測到夾取缸筒的情況。手指底座上有兩組手指安裝位,可以對缸筒夾取的長度進行擴展。手爪機構整體緊湊,兼容性強,適合多種缸筒零件的夾取。

7 手指夾持裝置

手指夾持裝置如圖8所示,包括手指底座、手指支架、手指、感應片。手指支架安裝在手指底座上,手指安裝在手指支架上。手指為黃銅材質,與缸筒接觸時不會夾傷缸筒。感應片作為手指感應裝置,用于感應有無夾持缸筒。

8 實物

為驗證各個設計單元是否滿足使用要求和使用功能,對機器人手爪各單元機件進行了生產加工,對外購件進行了選型采購,最終制作的機器人手爪實物如圖9所示。

對加工完成的機器人手爪進行實際生產驗證,采用不同直徑和不同長度的缸筒進行碼垛,確認機器人手爪可以適應不同尺寸缸筒的碼垛工作,并且動作合理,路徑簡單。

9 結束語

筆者設計了一種適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構,具有設計原理清晰、結構緊湊、適用性強等優點,能夠適配多種尺寸缸筒的碼垛。實際生產驗證結果表明,所設計的機器人手爪工作可靠,具有很好的推廣應用價值。