基于工業(yè)機(jī)器人的配電柜主框架上下料爪手設(shè)計(jì)*

陳婉華

（1.閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353011；2.長泰職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 漳州 363000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國的制造業(yè)正向著智能制造業(yè)轉(zhuǎn)變[1]。近年來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用普及，提高了各行各業(yè)的生產(chǎn)效率，特別在制造業(yè)的焊接、噴漆、裝配和搬運(yùn)等工序中作用顯著[2-5]。工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)定位精度高、可靠性高、生產(chǎn)柔性化及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，與人工相比，能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。因此，實(shí)際生產(chǎn)流水線中，很多企業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人代替人工裝配，提高了生產(chǎn)的安全性和工作效率。其中，爪手是安裝在工業(yè)機(jī)器人末端的執(zhí)行器，與被抓取對(duì)象直接接觸，不僅要穩(wěn)定抓取物件，而且不能對(duì)物件造成損傷。對(duì)于不同形狀物件，其爪手機(jī)構(gòu)有所差異，因此設(shè)計(jì)合理的爪手機(jī)構(gòu)是順利完成指定工序的前提。馬立軍[6]設(shè)計(jì)了一條多品種低壓開關(guān)設(shè)備混線生產(chǎn)的自動(dòng)生產(chǎn)線，解決柜體裝配方式效率低和裝配工序勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，能夠在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)四大類低壓開關(guān)設(shè)備的裝配能力，改變了低壓開關(guān)設(shè)備傳統(tǒng)的“垂直”作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)在“水平”旋轉(zhuǎn)下安全、高效進(jìn)行柜體裝配作業(yè)。王德佳[7]探討機(jī)械人在組裝生產(chǎn)線中的最佳配置，得出在考慮生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量等因素的情況下，采用人機(jī)混合配置的半自動(dòng)化組裝作業(yè)效果最佳。任軍輝等[8]基于UG對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)了一款爪手位置角度可調(diào)的工業(yè)機(jī)器人爪手，結(jié)果表明，該工業(yè)機(jī)器人爪手結(jié)構(gòu)緊湊，爪手角度調(diào)節(jié)方便，可以抓取多種形狀物體。孫庭偉[9]設(shè)計(jì)了一款適配多尺寸缸筒的機(jī)器人爪手機(jī)構(gòu)，能夠抓取多種規(guī)格的缸筒零部件，實(shí)際驗(yàn)證表明，該機(jī)器人爪手機(jī)構(gòu)工作具有良好的可靠性。

本文設(shè)計(jì)一種適用于不同規(guī)格尺寸配電柜主框架上下料的爪手機(jī)構(gòu)，通過在工業(yè)機(jī)器人末端增加氣動(dòng)磁性吸盤的方式，實(shí)現(xiàn)配電柜主框架快速、穩(wěn)定抓取，提高框架裝配的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為升級(jí)自動(dòng)化和無人化裝配提供一種多功能爪手機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案。

1 配電柜主框架結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 裝配要求

該工業(yè)機(jī)器人爪手的抓取對(duì)象是配電柜主框架，對(duì)主框架裝配的形位公差要求[10]：1）裝配好后的A面框架與B面框架對(duì)角誤差為±1.5 mm；2）連接桿的直線度為≤0.3 mm/m；3）裝配好的各連接桿銜接處位置度公差為±0.5 mm。

1.2 配電柜主框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際需要裝配某配電柜的主框架，該主框架主要由A面框架、B面框架以及連接桿等組成。其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖，如圖1所示。

圖1 配電柜主框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2 配電柜主框架上下料爪手設(shè)計(jì)

2.1 上下料爪手總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)配電柜主框架的自動(dòng)化上下料，根據(jù)不同規(guī)格尺寸配電柜的主框架，設(shè)計(jì)了抓取主框架的上下料爪手機(jī)構(gòu)，主要包括爪手主體、機(jī)器人連接法蘭和氣動(dòng)磁性吸盤等，并將爪手機(jī)構(gòu)裝配在FANUC 6軸關(guān)節(jié)機(jī)器人末端執(zhí)行部件上，此機(jī)器人內(nèi)置iRVision智能視覺系統(tǒng)和機(jī)器人安全策略系統(tǒng)等。工業(yè)機(jī)器人爪手的主要作用是從物料架上抓取A面框架、B面框架，并將其運(yùn)送至指定位置進(jìn)行壓裝。氣動(dòng)磁性吸盤的主要作用是采用磁力吸附的方法，抓取不同規(guī)格尺寸配電柜的主框架，并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定及無夾痕抓取，提高工作效率及產(chǎn)品裝配質(zhì)量。應(yīng)用SolidWorks 2016軟件對(duì)配電柜主框架的上下料爪手機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其示意圖如圖2所示。

圖2 配電柜主框架的上下料爪手機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及選型

工業(yè)機(jī)器人、爪手主體和物料拾取器是上下料爪手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件。結(jié)合抓取配電柜主框架的實(shí)際需求，本文工業(yè)機(jī)器人選用FANUC Robot R-2000iC/165F（上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司），該設(shè)備主要參數(shù)：控制軸數(shù)為6軸、可搬運(yùn)質(zhì)量為165 kg、重復(fù)定位精度為±0.2 mm。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)柔性化智能生產(chǎn)，能夠通過機(jī)器人視覺提高識(shí)別物料的準(zhǔn)確率，留有可擴(kuò)展性接口供用戶使用等。物料拾取器選用氣動(dòng)磁性吸盤SGM-70（穆澤工業(yè)控制系統(tǒng)（上海）有限公司），該部件主要參數(shù)：處理器速度為36 V，功率為85 W，吸力為290 N。該部件的優(yōu)點(diǎn)：帶有磁性夾具，用于處理配電柜主框架帶孔的金屬板；利用永磁吸取磁性工件，安全可靠；結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便捷等。

爪手主體及連接法蘭是工業(yè)機(jī)器人爪手機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)部件，為其他零部件裝配提供支撐和連接作用。其中，連接法蘭一端連接爪手主體，另外一端連接工業(yè)機(jī)器人第6軸的末端，采用8個(gè)M10螺栓連接固定，確保爪手主體和工業(yè)機(jī)器人的裝配相對(duì)緊固。爪手主體選用Q235鋼通過焊接而成，形狀近似U型切槽，既能夠滿足抓取不同規(guī)格尺寸框架的要求，又能保證爪手主體的強(qiáng)度載荷。工業(yè)機(jī)器人及連接法蘭實(shí)物圖，如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人及連接法蘭實(shí)物圖

2.3 工業(yè)機(jī)器人智能視覺系統(tǒng)及安全系統(tǒng)

上下料爪手機(jī)構(gòu)裝配在FANUC 6軸機(jī)器人末端執(zhí)行部件上，該工業(yè)機(jī)器人內(nèi)置iRVision智能視覺系統(tǒng)及機(jī)器人安全策略系統(tǒng)等。其中，智能視覺設(shè)備直接連接到工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，在沒有工業(yè)PC機(jī)的條件下可以正常運(yùn)行，同樣，視覺功能軟件也直接集成到工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，便于操作者進(jìn)行視覺編程。為了能夠方便進(jìn)行視覺功能軟件參數(shù)設(shè)定和運(yùn)行狀況的觀察，采用示教器畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?？紤]到操作人員的人身安全，需要在工業(yè)機(jī)器人中嵌入安全策略系統(tǒng)。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，通過設(shè)置不同的安全干預(yù)模式來適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需求，比如循環(huán)停止、緊急暫停和請(qǐng)求進(jìn)入等功能。工業(yè)機(jī)器人內(nèi)置視覺系統(tǒng)示意圖及系統(tǒng)控制流程圖，如圖4所示。

圖4 工業(yè)機(jī)器人內(nèi)置視覺系統(tǒng)示意圖及系統(tǒng)控制流程圖

3 結(jié)論

本研究以配電柜主框架作為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種適用于不同規(guī)格尺寸配電柜主框架的上下料爪手機(jī)構(gòu)。該上下料爪手機(jī)構(gòu)主要由爪手主體、機(jī)器人連接法蘭和氣動(dòng)磁性吸盤等組成。同時(shí)，整臺(tái)設(shè)備內(nèi)配備有智能視覺系統(tǒng)及安全系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上下料抓取動(dòng)作全程可視化和操作安全可靠。

本文利用工業(yè)機(jī)器人的工作效率高、靈活度大、操作穩(wěn)定性好以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，通過連接法蘭將工業(yè)機(jī)器人與爪手機(jī)構(gòu)進(jìn)行集成創(chuàng)新。研究結(jié)果表明：FANUC機(jī)器人配上自主設(shè)計(jì)上下料爪手機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器，可以根據(jù)配電柜主框架尺寸大小調(diào)整氣動(dòng)磁性吸盤位置來快速抓取主框架，有效降低了人工裝配時(shí)間成本，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性，滿足了企業(yè)對(duì)不同規(guī)格尺寸配電柜主框架進(jìn)行大規(guī)模裝配的需求，為柜體框架裝配提供了一種適用于不同規(guī)格尺寸框架的創(chuàng)新智能抓取機(jī)構(gòu)。