一种滤层中心管组合的抓手

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072）

0 引言

空气滤清器是汽车进气系统的一个重要部件，它的用途是清除空气中的微粒杂质，给发动机提供纯净的空气[1]，使发动机具有更长的使用寿命，并具有一定的进气消声作用[2～4]。它由上端盖、下端盖、中心管和滤层组成，滤层是滤芯中过滤油的主要部件，它由纸质材料折叠成均匀的风琴褶，然后合缝成环状，所以它有风琴褶散开的扩大状态和风琴褶被压紧的缩小状态。在滤芯的自动装配线中，前道工序已经对滤层进行了扩松，使其纸牙之间张开而不粘连，并且将中心管套装在滤层中，然后通过一个滤层中心管上料机械手将滤层和中心管组合抓取并移载至下一安装工位，因此，在滤层中心管上料机械手中需要一个能抓取散开的滤层和中心管组合的抓手，并且要求轴向均匀缩紧，使滤层维持风琴褶的形状，并且能适应不同直径大小产品的抓取，使生产线在更换产品规格时无需更换抓手，满足结构简单、效率高、成本低的要求[5]。

1 滤层中心管的状态

如图1所示，图1(a)为前道工序将滤层放松后的状态，图1(b)上料机械手抓手夹紧后的状态。滤芯产品直径有71.5mmm和58.5mm两种规格，而在放松状态下滤层最大直径可以达到110mm。

1.1 传统夹紧方式存在的问题

图1 滤层中心管放松与夹紧状态

对于刚性圆柱体类物体的夹紧，通常可以采用V型块对中夹紧方式，但现在夹紧面呈柔性且圆周呈风琴褶状态，因此设想夹紧面采用圆弧槽的形状。为了对中夹紧，可以有铰链开口式[6]或者对中开闭式的夹紧方式，但是当它们去夹紧柔性的滤层时，会出现如图2(a)和图2(b)的两种情况，即在夹紧过程中，滤层受力不均匀，导致部分滤层纸牙被挤出夹具外面的现象。因此传统的夹紧方式无法使用，需要设计一种新型的对柔性滤层夹紧的抓手，使其能对散开的滤层周向同步均匀向内夹紧。

图2 传统的夹紧方式对滤芯破坏情况

2 滤层中心管组合的抓手设计

2.1 滤层中心管组合的抓手设计思路

根据滤层风琴褶散开特点，本研究设计了一种柔性的钢丝索包络式抓手，即采用多条钢丝索在滤层的一周形成包络线，钢丝索两端分别与两块可以相对转动的联接板连接，两块板的相对转动带动钢丝索周向运动使钢丝索之间组成的空间缩小，完成对滤层中心管的夹紧抓取功能，其结构如图3所示。

图3 钢丝索包络式抓手

摆动盘和抓夹环分别位于上、下两层，摆动盘可在推摆气缸及连杆机构作用下旋转。抓夹环固定安装于机械手安装板上。摆动套的下端与抓夹环的上端分别均匀安装八个销钉且相互对应，八条抓紧索顺次套装在上下八个销钉上并可绕各自销钉转动，应保证抓紧索上端与下端的安装依次偏转1350。

抓手工作时摆动套顺时针转动，八个抓紧索的上端在摆动套的带动下转动，下端由于与抓夹环连接保持不动，因此每一条抓紧索均旋转一定的角度，使八个抓紧索之间组成的空间缩小，从而实现对滤层和中心管组合的抓取动作；摆动套逆时针转动，使八个抓紧索之间组成的空间放大，实现对所述滤层和中心管组合的释放动作。

2.2 钢丝索设计

在这个包络式抓手中，钢丝绳的长度和摆动套的旋转角度设计较为关键，如果长度长了，摆动的角度不够，则无法夹紧产品；但如果长度短了，摆动的角度太大，则会使抓手抓的太紧，造成滤层表面有痕迹，产生不良品。

如图4是钢丝索包络式抓手的俯视图，本文所设计钢丝索包络式抓手采用八条钢丝索。其中图4(a)是110mm抓手放松状态，图4(b)图是58.5mm抓手夹紧状态，为了便于计算所述钢丝索的长度以图4(b)所示的夹紧状态下的钢丝索，来计算钢丝索的最长长度。

图4 滤层中心管释放和抓取状态简图

如图4所示分别用大写字母A、B、C、D、E、F、G、H和A0、B0、C0、D0、E0、F0、G0、H0对应表示摆动套和抓夹环上八个销钉的对应位置。用小写字母aibi（i=1，2，…，8）表示一条钢丝索上的两个端点，其中a1连接抓夹环上A点位置，b1连接摆动套上D0点位置，当摆动套顺时针旋转时，b1从D0位置移动到F0位置，钢丝索收紧滤层，此时钢丝索a1b1分别与滤芯交于P点和Q点，将图形投影到下端，可得到如图5所示的投影图，其中点P和点Q的投影点分别为点p和点q。

图5 钢丝索投影图

在△AOF中，由余弦定理可得：

式中，AO=0F=R且R是八个销钉组成圆的半径。

在△AOp和△FOq中，由勾股定理计算可得：

式中r：为滤芯收紧到58.5mm时的半径。

分别作点p和点q到直线AF的垂线，垂足分为点p0和点q0，由勾股定理可得：

如图6所示，为钢丝索在空间中的平面图，用h、h1、h2、h3分别表示摆动套到抓夹环的垂直距离、点A到点P的垂直距离、点Q到点q的垂直距离、点P到点Q的垂直距离，由平行线分线段成比例定理可知：

图6 钢丝索空间平面图

由投影定理可知：

根据螺旋线计算公式[7]得：

式中，d为滤芯收紧到58.5mm时的直径。

故钢丝索的总长度为：

将式(1)～式(6)代入式(7)即可得到钢丝索需要的长度，具体数据根据结构不同而不同，这里不加概述。

2.3 摆动套驱动力计算

摆动套的旋转驱动，其驱动力大小也是关键参数。若驱动力过大，即将导致滤层出现压痕，破坏产品质量，但若驱动力过小，则可能无法夹紧滤层，导致机械手移载过程中滤层的掉落。

采用曲柄滑块机构推摆气缸驱动摆动套的旋转，如图7所示机构运动简图[8]。由2.2节可知，滤芯完成从110mm的规格加工到58.5mm的规格时，转臂顺时针转动900。转臂的长度为l1，则推摆气缸最大的行程L为：

由于滤层纸张的变形较难计算，故采用实验方法得到其钢丝索最大拉力为13.7N，由力矩平衡知气缸输出推力F=18N，由气缸输出效率为0.6[9]，可知气缸理论输出力F0=F/0.6=30N，则气缸的直径D为：

式中，P为工作压力，0.4MPa。

将上述数据代入式(8)得D=9.7mm，故选取气缸缸径为10mm。

图7 驱动机构运动简图

3 结论

针对在滤层缩紧的过程中出现个别风琴褶的不规整，一些褶皱在压紧的过程中会错位，使滤层不能形成一个完整的圆形的问题，本文分析比较了传统夹紧方式出现的破坏现象，设计了一种钢丝索包络式抓手，不仅解决了上述问题，同时可以抓取不同直径大小的产品，提高装配线更换加工产品时设备调整的效率，最后对钢丝索的长度和推摆气缸的选取进行了计算。