一种气动旋转抓取机构的应用_康文波.pdf

第1期机电技术机电技术一种气动旋转抓取机构的应用一种气动旋转抓取机构的应用康文波（漳州宏发电声有限公司 厦门分公司，福建 厦门 361021）摘要介绍一种气动旋转抓取机构，利用旋转缸进行被抓取物品的角度调整，通过改变旋转缸转轴的位置来调节两抓取位置的高度差和水平差，可靠应用于90旋转搬运的场合。关键词气动技术；90旋转；抓取机构中图分类号：TH138.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-051-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.014作者简介：康文波（1985），男，工程师，主要从事继电器的制造工艺和生产设备的研究。气动技术是以压缩空气作为介质，以空气压缩机作为动力源，来实现能量传递或信号传递与控制的工程技术1。由于介质是空气，它具有安全、无污染、低成本的特点；而气动装置具有结构简单、轻便、安装维护简单的优点，因此，气动技术广泛的应用在机械化和工业自动化领域。其中包括冲床、压机、压铸机械、注塑机、装配生产线、包装机械、印刷机械、工程机械、木工机械、金属切削机床和纺织设备等。1气动技术在装配生产线的应用气动执行元件主要用于直线往复运动。在实际工程中，直线运动形式应用最多，如机器或设备上的传送装置、产品加工时工件的进给、工件定位和夹紧、工件装配以及材料成形加工等都是直线运动形式。除个别情况外，对完成直线运动形式来说，无论是从技术还是从成本角度看，全机设备都无法与气动设备相比。随着气动技术的发展，气动执行元件运动的方式也越来越多，功能越来越强大，如可做旋转功能的摆缸、可抓取工件的气爪（包括2爪、3爪、4爪）等。通过这些基本执行元件，可以组成多种功能方案，从而使机构或设备的机械化程度大大提高，并实现完全自动化2。自动装配生产线通常是由多个不同功能的工作站组成的。工作站主要完成工件的上下料、整列、搬运、定位、固定夹紧和检测等工序。这些工序大部分为直线往返运动，利用基本的气动执行元件和气爪的组合就能够实现。如图1所示，其中有部分工序由于工件的外形特征导致工件出料方向与上料方向不匹配，该零件的出料方向与载具上料方向相差180；如图2所示，也有部分工序由于不同工作站加工的工件加工面不同，工作站一的加工面与工作站二的加工方向相差90。这两种情况就需要旋转机构将工件旋转一定角度，才可将工件调整到所需的工作方向。图图1 1180180 翻转图翻转图2 29090 旋转旋转工作台面123图图3 3旋转示意旋转示意如图3所示，通常工件下方为工作台面或者支撑面。机构可直接顺时针旋转（若工件在工装夹具内，需增加上下机构，以使工件先脱离工装夹具），该种旋转方式的工作效率较高；机构逆时针旋转时工件会碰到台面，因此需增加长行程的上下机构，完成“向上运动逆时针旋转向下运动”动作，机构效率相对较低。从图3分析，我们可以得到以下两点结论：1）工件90旋转的效率比180旋转的效率低。工件从位置1到位置2需要顺时针旋转180；从位置1到位置3需要顺时针旋转270或多动作逆时针旋转90。2）工件90旋转512023年1月机电技术机电技术的高度差比180旋转的高度差大。位置1和位置2高度差接近0，位置1和位置3高度差接近一个机构的旋转半径。显然，如图3所示，工件90旋转比180旋转更有难度，下文主要对90旋转进行分析。2工件90旋转的现有实现方式目前，在装配生产线中，90气动旋转实现方式通常有单气爪方式和双气爪方式两种。其工作原理相同：先将工件抓取到一个过渡机构，由过渡机构执行90旋转，再从过渡机构取走工件，以下分别介绍现有的两种方式。2.1单气爪方式如图 4a所示，左右机构、上下机构和气爪组成单爪搬运机构，旋转缸和过渡机构组成90旋转机构。搬运机构经过图4b的动作流程将工件搬送至旋转过渡机构，搬送机构向左返回时，旋转机构逆时针旋转90，由拨料机构将过渡机构上的工件拨到滑道。由于旋转后的工件出料采用拨料方式，滑道与过渡机构接口不能有挡块，导致过渡机12345876（a）单气爪90旋转抓取机构抓取放向下向上向下向上向右向左（b）动作流程图图4 4单气爪单气爪9090 旋转抓取机构旋转抓取机构1.左右机构；2.上下机构；3.气爪；4.夹具；5.旋转缸；6.滑道；7.拨料机构；8.过渡机构构在搬运接料位置下方不能直接托住工件。旋转机构需要增加弹压机构或压紧机构，在放料的时候将工件压紧。该压紧机构需要根据工件的外形和重力进行设计，压紧力小了，工件压不住，易掉落；压紧力大了，放料时容易压伤产品。2.2双气爪方式如图5所示，双气爪方式的原理和动作流程与单气爪方式相同，只是搬运机构多了个气爪，一个气爪负责从夹具抓出工件并放到过渡机构，另外一个气爪负责从过渡机构抓出工件并放到滑道或夹具。由于过渡机构采用抓出方式，过渡机构将滑道与夹具的距离拉大，整体机构占用的空间相对较大。另外，过渡机构在搬运接料位置可做一托块将工件托住，放料时工件不易掉落。过渡机构上的工件是采用气爪抓出方式，气爪抓出方向不能有护块，过渡机构旋转时工件容易移位甚至脱离过渡机构，在使用的过程中，通常需增加一个负压系统或压紧机构，以保证过渡机构旋转的时候，工件不被甩出。1234567图图5 5双气爪双气爪9090 旋转抓取机构旋转抓取机构1.左右机构；2.上下机构；3.抓出气爪；4.夹具；5.滑道；6.过渡旋转机构；7.过渡抓出气爪3旋转抓取机构设计3.1旋转抓取原理通过分析发现：将工件作90旋转的现有方式是在过渡机构上实现的，因此过渡机构需要有旋转前和旋转后的抓取空间；这导致了过渡旋转机52第1期构无法可靠地托住工件，需要增加压紧机构或负压系统。压紧机构和负压系统虽可增加旋转的可靠性，但在实际生产的过程中偶尔会出现工件脱落和工件压伤的情况，因此需要研究一种可靠性更高的旋转抓取机构。要提高可靠性，就应设法取消过渡机构，只需将气爪固定在旋转机构上即可。旋转机构带着气爪进行旋转，旋转过程中，工件始终由气爪夹持，工件就不会脱落和压伤。设计上，通常会将旋转抓取机构的转轴放在上料位置或下料位置正交直线上（以下简称“正交位置旋转”），再确定下料或上料的位置，如图6a所示，转轴处于位置1的水平直线上。为使工件能顺利从位置1搬送到位置3，工件旋转的半径内不能碰到夹具。因此，需增加上下左右机构，机构先上下，将工件从夹具取出，再左右搬送，最后进行逆时针旋转；或者增加长行程的上下机构，机构先上下，将工件从夹具取出，直接逆时针旋转90。两种方法都会增加机构的运动时间，导致效率降低。另外，位置1和位置3水平和高度各相差一个旋转半径。旋转半径太小，受旋转缸和气爪的外形尺寸限制，机构安装空间不足；旋转半径太大，上下料位置高度相差大，导致整机设备不协调。可见，正交位置旋转的适用性不强。从图6a可看出，正交位置的旋转半径与夹具交汇区域较多，因此需要增加动作或者增加行程，以便机构能正常旋转。若降低夹具与旋转半径的交汇区，便可缩短上下行程。如图6b 所示，将旋转缸转轴偏离位置1的水平线或垂直线（以下简称“非正交旋转”），便减少了旋转半径与夹具的交汇区，抓取机构只需上下一个较小行程，便可将工件正常旋转；同时位置1和位置3的高度差转化成水平方向距离，既增加了机构的安装空间，又增加了机构左右搬送行程；此外，可通过调整旋转缸转位置1位置3位置1位置3（a）正交位置旋转示意（b）非正交旋转示意图图6 6旋转抓取原理旋转抓取原理轴位置，改变位置 1和位置 3的水平差、垂直差。因此，非正交旋转更具有实用性。3.2旋转抓取机构模型根据图 6 的原理设计一套新的旋转抓取机构，如图7a所示。旋转缸直接固定在上下机构，气爪固定在旋转机构，整体结构仅有3个气动执行元件，结构简单，机构占用空间小。抓取的动作流程如图7b所示，与之前两种方式大体一致。工件旋转时始终由气爪抓取，无需中间过渡，不会掉落，提高了机构的可靠性。在该套机构中，抓手手指做成90，使整个机构在装配中处于正交位置，便于观察和调整旋转缸的2个位置。31245（a）旋转抓取机构抓取放向下向上向下向上逆时针旋转顺时针旋转（b）动作流程图图7 7旋转抓取机构旋转抓取机构1.上下缸；2.旋转缸；3.气爪；4.滑道；5.夹具3.3转轴安装位置分析计算模型如图8所示，可根据两个抓取位置的水平位置差X和竖直位置差Y求出m和n，即旋转缸转轴的安装位置。3.4实例结果分析将产线中如图4所示的抓取机构优化为如图8所示的旋转抓取机构，从设备运行情况可以看出：1）动作节拍由原来的 2.8 s下降至 2.7 s；2）减康文波：一种气动旋转抓取机构的应用532023年1月机电技术机电技术参考文献：1 李家书.气动技术的应用J.液压气动与密封，2006（4）：6-10.2 丁晓东.气动技术在电子设备上的应用J.流体传动与控制，2007（5）：31-33.XYnmnmABC90图图8 8计算模型计算模型少一个气缸以及相应的控制组件；3）工件脱落次数从日均20次下降为0，降低了产品报废率、质量风险以及设备维护频次和成本。4工件90旋转方式的比较分析通过对三种工件90旋转方式进行分析，得出它们的优缺点，如表1所示。从表1可以看出旋转抓取机构在成本、空间、可靠性和适用范围上更有优势。5结束语工件 90旋转抓取机构具有结构简单、成本低、空间小、适用范围广和可靠性高的特点。尤其适用于塑料件的生产线，能够减少工件的抓取次数或接口过渡次数，从而减少塑料屑的产生，提高产品的实物质量。表表1 1三种工件三种工件9090 旋转方式分析旋转方式分析成本占用空间可靠性适用范围单爪旋转方式4个气动元件，中间过渡弹压机构或压紧装置小低，工件易脱落滑道、流水线双爪旋转方式4个气动元件，过渡负压系统或过渡压紧装置大一般，旋转时工件可能脱落滑道、流水线和载具旋转抓取机构3个气动元件小高，工件不会脱落滑道、流水线和载具参考文献：1 王海军.文丘里管射流装置的结构及工作原理J.西南科技大学学报，2004（2）：41-44.2 佚名.设置PID参数口诀J.自动化信息，2009（7）：77.一种比较理想的控制模式，但因需增加变频器，成本也相对较高。5结论从4种不同模式控制的曲线图可以看出，对于一般的水肥灌溉农艺要求，4种不同控制模式基本上均可满足要求，但它们又有各自不同的特点：电磁阀控制模式使用的器件价格最便宜，但由于其为开关型控制，结构限制了其频率不可能太高，水肥浓度曲线波段较大；电动阀控制模式可较为精确地控制水肥浓度，但存在价格较高、调节时间较长的现象；微型直流泵控制模式控制响应时间快，精度也较高，但存在外围因素影响大、直流泵需定制设计等问题；变频器控制模式控制响应时间快、精度高，但需增加一台变频器，也增加了不少成本。综合以上特点，若是一般的大面积水肥灌溉或对水肥浓度均匀性要求不高的应用场景，采取电磁阀控制模式较好；若是对水肥浓度均匀性要求较高、灌溉时间较短（大棚无土栽培）的应用场景，可采用变频器控制模式，当此应用的市场需求较大时，可考虑将变频器功能嵌入至施肥泵中，以此制造出的变频施肥泵设备也将大幅降低设备成本，以促进此控制模式的推广。（上接第42页）54