注塑机专用取件机械手结构设计

李卫民， 华雷

（泰州职业技术学院，江苏 泰州225300）

0 引言

取件机械手能使流水线生产更加高效化、自动化，它作为自动化生产用具，可以代替人们的体力劳动，大大提高了注塑成型机的生产效率，且其生产环境安全，产品质量稳定。纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业，数量十分稀少，且独创性弱，过分依赖仿制。而大量的产品都来自于他国进口，但是其设计思路都较为西方化，不适合中国人的操作习惯。因此我们有必要设计并生产出一种高效率、低成本、性能稳定的的塑件专用取件机械手[1-3]。

1 设计内容

当一个新的注塑品完成后，会被机器自动推送到传送带上，机械手就是不断地从传送带上捡起塑件，并摆放到指定的塑件堆放区。设计的机械手（如图1）采用气压驱动，拥有5个运动单元，采用气缸的形式使各个运动单元按照设计要求执行运动。此次机械手的设计重点是完成对塑件取件机械手的结构设计。

图1 机械手

2 机械手结构方案设计

设计的机械手是专门针对注塑机的，因此机械手的尺寸、运动行程要与注塑机相匹配，并且在工作上也需要满足注塑机的工作进度。注塑机的工作节奏比较快，完成一个制品的速度很快，那就需要机械手能够快速并精确地去抓取塑件，然后需要顺序地将塑件放置到对应的位置，同时迅速地返回，整个时间要与注塑机出一个制品的单位时间相比配。注塑机的形状、尺寸也是设计专用机械手所需要考虑的，一是保证机械手有足够的运作空间；二是使机械手的设计更具有专用性，更有效率[4-5]。

1）坐标型式与自由度选择。设计的机械手需要实现上升下降、前后移动、零件松放、手部回转。为了节省空间，减短运动行程，增加了一个手臂来回摆动的自由度，根据这5个自由度，确定机械手的坐标形式为圆柱坐标。机械手各个自由度的运动简图如图2所示。

2）机械手的主要参数。注塑机通常用于单一大批次的生产中，根据常见注塑机的功能参数，设计各个自由度的运动极限参数：机械手手部最大抓取质量（3 kg）也就是机械手工作极限值3 kg；机械手手腕回转角度为90°；机械手上下直线升降的最大工作行程为800 mm；机械手机身以外部分实现往复摇摆运动，运动极限角度为180°；机械手副臂实现在工作平面上前后移动运动，最大工作行程为400 mm。

图2 各自由度简图

3 手部结构设计

手部结构采用手爪式，如图3所示，水口夹自带气缸，当水口夹需要抓取物体时，气缸进气口进气，推动活塞杆移动，圆锥销向两边顶开滚轮，滚轮连接着左右两钳板，滚轮滚动直接控制着钳板的开合，从而抓取塑件，放下塑件时，直接气缸断气，钳板会在复位弹簧的作用下复位，从而达到放开塑件的目的。本文选取的水口夹型号为1615s型，该水口夹最大可抓取500 g的塑件；水口夹的缸径为16 mm，行程为15 mm[6]。

图3 水口夹结构

4 手腕部分结构设计

和人体结构一样，机械手的手部与手臂之间连接部分同样是手腕，这部分的作用就比较大，手腕灵活就能起到画龙点睛的作用，手腕一般情况下可以用来改变机械手手部的一个抓取零件的方向，所以手腕部分也设计了一个自由度，运动形式为回转。水口夹与回转气缸是作为一个部件来使用的，机械手的手部（也就是水口夹）与手腕部分（回转气缸）之间的配合如图4所示[7-8]。

图4 水口夹回转气缸组合部件

5 副臂结构设计

5.1 副臂结构设计

设计的机械手手臂选择铝型材作为主要材质，并且在结构上，通过将手臂与运动导轨相结合的形式，减轻质量，降低结构难度。

导轨的选择：副臂存在的自由度是其上下升降的直线运动，因此其附合支承可以选择直线导轨的形式，设计采用滚珠直线导轨，实物如图5所示。

图5 滚珠直线导轨

设计中采用上银直线导轨，选择型号为HG。与之相配合的滑块总质量是0.9 kg。

5.2 副臂气缸的结构尺寸

本文所选择的气缸为SMC公司所生产的CG型直线气缸，气缸的半径为20 mm。副臂气缸运动的行程为800 mm，如图6所示。

图6 副臂气缸

5.3 手腕与副臂连接结构设计

1）副臂气缸连接形式选用。副臂气缸在机械手作用下推动导轨实现往复直线运动，这种情况下，就需要气缸的活塞杆部分与副臂的导轨之间没有相对运动，也就是说需要相对的固定，选择杆端螺母的形式最适合，如图7所示。

2）手腕与副臂连接结构设计。手腕是回转气缸，副臂则是以导轨为主的结构，之间没有标定的连接方式，因此需要设计一个连接部件，将手腕与副臂连接到一起。连接件除了需要连接回转气缸、导轨，还需要连接副臂气缸的活塞杆，就是活塞的杆端螺母的连接方式，最终的设计方案如图8所示。

图7 杆端螺母结构

6 机械手主臂结构设计

6.1 主臂结构设计

选择铝合金作为主臂结构的主要材质，比较轻，能够承受较大负荷，有着很好的力学性能，主臂部分的结构如图9所示。

与副臂的受力一样，主臂采用两个导杆来支承和导向，这样受力更加均匀，导向性更好，对称性也不错。结合主臂的设计尺寸，确定导杆长度在460~470 mm均可，本文选择一个中间值，选择为465 mm，直径20 mm，如图10所示。

图8 连接件

图9 主臂设计总图

6.2 主副臂连接结构设计

图10 导杆

图11 轴向脚座

1）主臂气缸连接形式选用。结合主臂气缸的使用要求，最终确定选择轴向脚座的形式用来固定主臂气缸。如图11所示。

2）副臂与主臂连接结构设计。主臂与副臂需要设计一个部件，将彼此连接在一起，这个部分一共需要连接副臂滑块、主臂气缸活塞杆、两个导杆等等，因此整个结构需要先确定各个部件的连接位置以及连接方式，连接方式都是采用螺栓的连接，最终结构如图12所示，该部件同样采用铝合金的材质。

7 机身结构设计

7.1 机身的整体设计

机械手的最后一个自由度实现一个摆动行程为90°的摆动运动，通过机身作为承载部件，设计合理的结构来实现这一自由度，对应的机身结构可以设计成如图13所示。为了考虑经济性以及实用性，机械手机身部分采用GY-4590材料，价格适中，但应用却是十分广泛。

图12 连接部件

图13 机身三维图

7.2 机身与主臂连接结构设计

机械手的机身需要支承除其自身以外的机械手所有部件，手部、手腕、主臂、副臂以及其它附属结构，因此机身的受力是整个机械手结构中最大的。

机身与主臂连接设计成轴状零件，由于该连接零件承受的压力较大，同时还要受到较大的转矩和弯矩，该零件的材质为45钢，连接轴的参数为435 cm×φ45 cm，结构如图14所示。

轴的两端分别连接着摇杆机构和主臂机构，两端均是采用螺栓固定，保证两两之间均不可出现相对运动，否

图14 连接轴

图15 直线气缸运动转换机构

7.3 机身气缸选用以及驱动力矩计算

由于结构的限制，机身气缸同样需要设计成直线气缸，通过一定机构的转换，实现摆动驱动，此处设计的气缸仍然是采用CG1型双作用式单活塞杆气缸，直线气缸的半径为20 mm。

1）机身气缸连接结构设计。由于机身气缸需要实现将气缸的直线运动转换成来回摆动运动，不能完全限制气缸缸体的自由度。由于是将直线运动转化成摆动，所以要求气缸缸体也可以进行一定量的相对回转，否则将会出现连杆机构中的死点位置，导致装置失效，并且无法实现可调性，设计的整个转换机构如图15所示。

2）缓冲设计。整个机械手的5个自由度均是采用气缸驱动，气缸的特性导致其在运作时会产生较大的惯性，除了手部的水口夹自带气缸手腕的回转气缸，以及机身的直线气缸摆动机构不需要设计缓冲装置，另外的2个气缸均需要设计缓冲装置，缓冲装置的作用是保证系统的可靠性，对元器件起到保护作用。塑件取件机械手的尺寸结构不大，相对的惯性也不会很大，因此采用液压缓冲器就可以满足设计要求，液压缓冲器的结构如图16所示。

图16 缓冲器

8 结论

设计的机械手应用于注塑行业注塑机流线上，专用抓取塑件。机械手一共设计了5个自由度，运动均由气缸来实现。除了手腕部分的气缸为回转气缸，其它4处的气缸均为直线气缸。该机械手工作效率高、成本低、性能稳定。