應(yīng)用于機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪

高霄，李冬艷

西安精雕精密機(jī)械工程有限公司 陜西西安 710000

1 序言

隨著機(jī)器人研究的深入和傳感技術(shù)的不斷更新，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，機(jī)器人手爪作為機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個(gè)高度集成的、具有多種感知功能的機(jī)電系統(tǒng)，涉及的領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)學(xué)、仿生學(xué)、自動(dòng)控制以及傳感器技術(shù)等學(xué)科[1，2]。機(jī)器人手爪按照抓取對象的不同分為通用手爪和專用手爪，通用手爪指靈巧手[1]，屬柔性手爪，仿人手去抓取任何物體，近年來各類型通用手爪的研究不斷迭代更新，靈巧手越來越接近人手功能，應(yīng)用在醫(yī)療、空間探測、海洋資源探測、軍事偵察以及危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等場所[1，3]，通用手爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要同時(shí)具備識別和抓取功能，手爪一般集成幾十個(gè)各種類型的傳感器以及柔性的抓取結(jié)構(gòu)[1]；專用手爪一般指應(yīng)用在某些特定場合或特定產(chǎn)品的工業(yè)流水線上的手爪，其結(jié)構(gòu)簡單，集成傳感器少，而應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪屬于專用手爪[2]。本文列舉分析應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的專用手爪典型結(jié)構(gòu)，主要針對質(zhì)量在300kg以內(nèi)、尺寸在600mm×600mm×500mm（長×寬×高）以內(nèi)的工件進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)，概括總結(jié)其在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用場合。

2 機(jī)器人手爪類型

應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪類型較多，按照手指結(jié)構(gòu)區(qū)分，常用的有兩指手爪、三指手爪、貨叉式手爪、握爪類手爪以及吸盤類手爪；按照驅(qū)動(dòng)方式又可分為氣動(dòng)手爪、液壓手爪以及電動(dòng)手爪[4]；按照末端抓取機(jī)構(gòu)數(shù)量又可分為單手爪、雙手爪以及多手爪結(jié)構(gòu)。

機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)需要包含具有零點(diǎn)定位功能的機(jī)內(nèi)夾具，機(jī)內(nèi)夾具安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，與工件隨行夾具或直接與工件配合，實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床內(nèi)的高精度重復(fù)定位，而機(jī)器人手爪通過抓取工件隨行夾具或直接抓取工件，實(shí)現(xiàn)其在機(jī)內(nèi)夾具與儲(chǔ)料系統(tǒng)之間的流轉(zhuǎn)。

2.1 典型手爪結(jié)構(gòu)

（1）兩指氣動(dòng)手爪 兩指氣動(dòng)手爪在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用最廣泛，簡稱兩指氣爪。典型的兩指氣爪結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含氣爪本體和兩個(gè)氣爪活動(dòng)端，在氣壓或彈簧的作用下，兩個(gè)氣爪活動(dòng)端相對于氣爪本體往復(fù)平動(dòng)。兩指氣爪應(yīng)用較為成熟，相關(guān)供應(yīng)商均有成熟的產(chǎn)品可選用，兩指氣爪活動(dòng)端安裝手指，通過手指實(shí)現(xiàn)被抓取物的準(zhǔn)確定位和夾取，機(jī)器人手爪由兩指氣爪和兩個(gè)手指構(gòu)成，圖2所示為機(jī)器人手爪抓取隨行夾具，圖3所示為機(jī)器人手爪直接抓取工件，目前更為常用的是機(jī)器人手爪抓取隨行夾具，工件固定在隨行夾具上，這種方式可實(shí)現(xiàn)夾具和手指的標(biāo)準(zhǔn)化，圖2所示即為典型的機(jī)器人手爪抓取電極夾具座，電極夾具座為標(biāo)準(zhǔn)電極隨行夾具，通過PLC和電磁閥自動(dòng)控制氣爪的開合，實(shí)現(xiàn)手指1和手指2對隨行夾具的夾緊和松開，進(jìn)而通過機(jī)器人的路徑設(shè)置搬運(yùn)隨行夾具上的工件到指定位置。

圖2 機(jī)器人手爪抓取隨行夾具

圖3 機(jī)器人手爪抓取工件

兩指氣爪適用于搬運(yùn)質(zhì)量、體積較小的工件，其與待搬運(yùn)物的定位方式主要為仿形，夾緊主要靠摩擦力及托舉。

（2）三指氣動(dòng)手爪 三指氣動(dòng)手爪簡稱三指氣爪，其與兩指氣爪原理類似，輸出為三個(gè)活動(dòng)端，適合直接抓取形狀較規(guī)則的工件，圖4所示為三指氣爪抓取工件，三指氣爪具有二次定位功能，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整被抓取工件的中心。三指氣爪也有成熟的產(chǎn)品可直接選用，按照被抓取工件的特征選擇合適的氣爪型號，手指結(jié)構(gòu)根據(jù)被抓取工件定制。

圖4 三指氣爪抓取工件

三指氣爪可搬運(yùn)工件的類型由工件外形及材質(zhì)確定，其與待搬運(yùn)物體的定位和夾緊方式也是靠仿形、摩擦或托舉。

（3）貨叉式手爪 貨叉式手爪結(jié)構(gòu)簡單，在自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛，在自動(dòng)上下料系統(tǒng)中用于叉取托盤或工件，自動(dòng)上下料系統(tǒng)對叉取對象的精度有較高要求，因此需要在貨叉上增加精確定位的裝置。貨叉式手爪結(jié)構(gòu)如圖5所示，定位銷用于限制被抓取物在水平方向上的自由度，豎直方向位置靠重力和定位面保障。貨叉式手爪作為常規(guī)的六軸機(jī)器人末端手爪時(shí)，機(jī)器人手爪必須保持平移姿態(tài)，第六軸不可有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖5 貨叉式手爪結(jié)構(gòu)

貨叉式手爪適合搬運(yùn)質(zhì)量、體積較大的工件，手爪不需要驅(qū)動(dòng)源，結(jié)構(gòu)及控制方式簡單，由于使用貨叉搬運(yùn)的形式，托盤底部或工件上需要設(shè)計(jì)貨叉取放料空間。

（4）握爪式手爪 握爪式手爪結(jié)構(gòu)如圖6所示，由握爪主夾緊端和握爪工具端兩部分組成，握爪主夾緊端固定在機(jī)器人末端，握爪工具端固定在被抓取托盤或工件上，握爪主夾緊端通過氣動(dòng)/液壓/彈簧等形式實(shí)現(xiàn)對握爪工具端的夾緊/松開，從而實(shí)現(xiàn)對工件的搬運(yùn)，握爪式手爪主夾緊端和工具端的重復(fù)定位精度可保證被搬運(yùn)工件的位置精度。握爪式手爪也可選用成熟的產(chǎn)品，可搬運(yùn)工件的質(zhì)量和體積根據(jù)握爪型號確定，成本較高，應(yīng)用握爪式手爪搬運(yùn)托盤或工件時(shí)，被搬運(yùn)工件需要增設(shè)握爪工具端安裝孔位。

圖6 握爪式手爪

（5）吸盤手爪 吸盤手爪（見圖7）屬于氣動(dòng)手爪，包括真空發(fā)生器和真空吸盤，真空發(fā)生器將輸入端的正壓轉(zhuǎn)換為負(fù)壓，負(fù)壓供給吸盤將工件吸起，從而實(shí)現(xiàn)對工件的搬運(yùn)。吸盤手爪適合搬運(yùn)薄板類工件、表面規(guī)則的球形工件等，抓取薄板類工件時(shí)，可根據(jù)其尺寸大小在同一抓取面布置多個(gè)吸盤，以實(shí)現(xiàn)對工件的穩(wěn)定抓取。

圖7 吸盤手爪

2.2 雙手爪結(jié)構(gòu)

在一些加工節(jié)奏要求較快的場合，為減少上下料機(jī)床等待時(shí)間，通常需要配置機(jī)器人雙手爪結(jié)構(gòu)，雙手爪結(jié)構(gòu)類型較多，包含桁架式雙手爪結(jié)構(gòu)[5]、基于機(jī)器視覺的雙手爪結(jié)構(gòu)[6]、雙工位雙手爪結(jié)構(gòu)[7]以及含旋轉(zhuǎn)模塊的雙手爪結(jié)構(gòu)[8]，應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的雙手爪結(jié)構(gòu)一般為上料手爪和下料手爪集成安裝在機(jī)器人末端，雙手爪為上述典型手爪結(jié)構(gòu)的二次集成[5]。應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的典型雙手爪結(jié)構(gòu)如圖8所示，包含旋轉(zhuǎn)模塊、手爪安裝板以及上料手爪和下料手爪，上料手爪和下料手爪固定安裝在手爪安裝板上，手爪安裝板固定安裝在旋轉(zhuǎn)模塊輸出端，隨旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，圖示旋轉(zhuǎn)模塊有兩個(gè)位置，位置1代表初始位置，位置2代表旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)180°后位置，上下料動(dòng)作方式如下所述。

圖8 典型雙手爪結(jié)構(gòu)

雙手爪上下料動(dòng)作：確認(rèn)上下料手爪空置→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊處于位置1→上料手爪從儲(chǔ)料系統(tǒng)抓取毛坯料托盤→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊旋轉(zhuǎn)至位置2→下料手爪從機(jī)床抓取成品料托盤→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊處于位置1→上料手爪將毛坯料托盤放置在機(jī)床夾具上→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊旋轉(zhuǎn)至位置2→下料手爪將成品料盤放置在成品儲(chǔ)料位，重復(fù)以上步驟。

機(jī)器人雙手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用在加工節(jié)奏要求較快的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式多樣，旋轉(zhuǎn)模塊可使用其他形式的結(jié)構(gòu)代替，目的為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)手爪的位置切換，雙手爪安裝在六軸機(jī)器人末端時(shí)，其第六個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可代替圖8所示的旋轉(zhuǎn)模塊。

2.3 桿狀類工件抓取雙手爪

隨著機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)客戶需求的不斷增加，需要針對不同客戶的目標(biāo)產(chǎn)品開發(fā)定制不同種類的機(jī)器人手爪，桿狀類工件的自動(dòng)上下料加工需求是一種典型的需求方案，典型的桿狀類工件，如刀桿，其特點(diǎn)是工件尺寸小、加工節(jié)奏快，需要使用雙手爪結(jié)構(gòu)，但典型的雙手爪結(jié)構(gòu)（見圖8）應(yīng)用在桿狀類工件的抓取中存在整體尺寸大、結(jié)構(gòu)及動(dòng)作復(fù)雜以及成本高等問題。

針對刀桿的機(jī)床自動(dòng)上下料需求，開發(fā)了一款適合桿狀類工件抓取的雙手爪結(jié)構(gòu)，手爪結(jié)構(gòu)如圖9所示，主體結(jié)構(gòu)包含雙氣缸主體、左手指組件、右手指組件以及手指固定端，雙氣缸主體設(shè)置前后兩個(gè)平行氣缸，左手指組件和右手指組件在前后兩個(gè)平行氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與手指固定端形成夾緊、松開結(jié)構(gòu)，如圖9a所示，動(dòng)作方式如下所述。

圖9 桿狀類工件抓取雙手爪

左手指夾緊的動(dòng)作方式，如圖9b所示：氣缸1通氣，驅(qū)動(dòng)活塞1向左移動(dòng)，活塞1推動(dòng)左手指組件向左移動(dòng)，左手指與左手指組件末端相連，隨左手指組件向左移動(dòng)，與手指固定端配合形成一個(gè)夾指，夾取桿狀工件，如圖9a所示，氣缸1持續(xù)通氣，左手指夾取力保持；左手指松開的動(dòng)作方式：氣缸1斷氣，左手指組件在彈簧的作用下向右移動(dòng)復(fù)位，推動(dòng)活塞1向右移動(dòng)，左手指與左手指組件末端相連，隨左手指組件向右移動(dòng)，松開桿狀工件，氣缸1不通氣，左手指在彈簧力作用下保持松開狀態(tài)。

桿狀類工件抓取雙手爪動(dòng)作流程如圖10所示。

圖10 動(dòng)作流程

桿狀類工件抓取雙手爪集成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸為一體，整體結(jié)構(gòu)緊湊，并且相較于典型的成品氣缸集成類雙手爪，成本大幅下降，目前已成熟應(yīng)用于刀具磨削、異形刀桿加工和醫(yī)療用品等桿狀類工件的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中。

2.4 機(jī)器人快換手爪

機(jī)器人快換手爪也是目前應(yīng)用于機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的一種抓取模式[9]，尤其在產(chǎn)線式機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中，一種類型的手爪可能無法滿足多種類工件抓取的需求，快換手爪即可根據(jù)目標(biāo)工件的不同自動(dòng)更換手爪。機(jī)器人快換手爪的結(jié)構(gòu)如圖11所示，包含一個(gè)安裝在機(jī)器人末端的快換主夾緊器（見圖11a）和多個(gè)快換工具適配器（見圖11b、圖11c），快換主夾緊器和工具適配器配合可實(shí)現(xiàn)工具適配器末端手爪的氣路和電路接通，從而控制其對工件的取放。安裝在機(jī)器人末端的快換主控制器，根據(jù)主控程序設(shè)定，切換不同的工具適配器手爪以抓取不同工件進(jìn)行機(jī)床自動(dòng)上下料，工具適配器數(shù)量一般為兩個(gè)及以上，具體按需配置?？鞊Q手爪的主控制器配套工具適配器也有成熟的產(chǎn)品供選用。

圖11 機(jī)器人快換手爪結(jié)構(gòu)

3 機(jī)器人手爪驅(qū)動(dòng)方式

典型機(jī)器人手爪的驅(qū)動(dòng)源包括氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)，部分手爪不需要驅(qū)動(dòng)源僅通過結(jié)構(gòu)配合即可完成定位抓取，如貨叉式手爪。氣動(dòng)手爪通過清潔后的壓縮空氣即可作為驅(qū)動(dòng)源，目前的生產(chǎn)車間均配置空氣壓縮系統(tǒng)，其易獲取、零污染的特性使其在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用[5，10]。液壓驅(qū)動(dòng)可應(yīng)用于夾緊力及夾取穩(wěn)定性要求更高的場合，液壓驅(qū)動(dòng)需要配液壓站，成本較氣動(dòng)高。電動(dòng)手爪則應(yīng)用于一些多形態(tài)、多種類抓取的復(fù)雜場合，電動(dòng)手爪一般內(nèi)置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)作復(fù)雜，技術(shù)要求和成本較高[5]。

4 機(jī)器人手爪控制方式

P L C控制系統(tǒng)屬于當(dāng)下主要的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其可依賴各種控制技術(shù)，完成對工業(yè)機(jī)器人的全面操控，使其滿足工業(yè)生產(chǎn)需求[10]。以典型的氣動(dòng)手爪為例，機(jī)器人手爪的控制方式包括手爪開合的控制、確認(rèn)開合位置的反饋以及防呆檢測。

手爪開合的自動(dòng)控制通過電磁閥實(shí)現(xiàn)，電磁閥的動(dòng)作則受控于PLC主程序，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)至指定位置時(shí)，PLC主程序控制電磁閥動(dòng)作，如手爪打開，自動(dòng)定位、夾取工件后手爪閉合，可按照手爪的控制方式選擇不同類型的電磁閥。確認(rèn)開合位置的反饋需要通過傳感器檢測，磁性開關(guān)在氣動(dòng)手爪中的應(yīng)用較廣泛，磁性開關(guān)利用磁場的作用實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān)，與帶有磁環(huán)的活塞配合檢出氣爪的開合情況，反饋至主PLC程序，確保開合動(dòng)作執(zhí)行正確；光電類傳感器也可檢測手爪開合情況，如圖9a所示的傳感器即可檢測是否取料成功，反饋至主PLC程序，具體按照使用要求選擇。防呆檢測包括待夾取工位是否有料、手爪取放料是否成功、放料位是否空置等，防呆檢測的形式多樣，包括光電傳感器、無線射頻識別技術(shù)以及其他檢測方式，有時(shí)配合機(jī)床的在線檢測功能，確保自動(dòng)供料機(jī)器人穩(wěn)定抓取、與機(jī)床正常通信、機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)，包含典型的手爪結(jié)構(gòu)以及自研的桿狀類工件抓取雙手爪，具體的選用根據(jù)實(shí)際情況確定，選用原則是形式可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。本文列舉的只是應(yīng)用于限定尺寸、質(zhì)量范圍內(nèi)的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)常用機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)，所含手爪種類只是部分，且應(yīng)用場合存在局限，隨著工業(yè)自動(dòng)化及新型技術(shù)的發(fā)展，期待相關(guān)領(lǐng)域的新發(fā)展和更大突破。