一种适应多型号缸体工件搬运的机械夹手设计

王影 王洪远 赵健

摘  要：为提高生产效率，降低人工成本，现生产线由人工装配柴油机缸体升级为由机器人自动化搬运装配生产线;现设计一种缸体搬运机械手，机械手由气缸与直线导轨、手指、法兰相连接，实现一个手指的横向移动，另一个手指固定不动。夹手两侧有定位顶尖，定位顶尖与缸体曲轴两端中心孔配合，提高抓取夹持定位精度;改进后机械手不仅能兼容多种型号工件搬运，而且定位精度高，调试方便，且设备成本大大降低。设备性能稳定可靠并已运用到实际生产中。

关键词：柴油机;缸体;机械夹手

中图分类号：TP23            文献标志码：A

0 概述

随着工业技术的发展，自动化技术日趋成熟，人工生产劣势逐渐凸显，某公司柴油机装配生产线原由人工进行换型生产，不但效率低、而且易出错，为节省人工成本，提高装配效率，同时使其具有柔性化特点，现在生产线升级为自动化装配线。在汽车柴油机自动化装配生产线中，抓取缸体的机械手设计极其重要，机械手设计的优劣不仅直接影响装配质量及生产效率，同时也影响现场设备调试的难易程度与现场调试人员的调试效率，机械手设计优劣是装配生产线优劣的重要指标，直接影响整套设备的稳定性与安全性。该文设计一种可靠高效的缸体机械夹爪，此种夹手适合应用在缸体活塞连杆装配工作站中，配合六轴机器人替代人工进行搬运装配作业。

1 基础设计及工作原理

发动机缸体在上一工序已将曲轴和凸轮轴装配完成，在活塞连杆工作站进行活塞连杆装配作业。在前一工序的机械夹手是夹持缸体边缘，利用缸体上的销孔进行定位，这种夹手结构复杂，调试不方便，并且由于夹持面是缸体的铸造毛坯面，使夹持不够稳定。此道工序中的缸体和曲轴已完成装配，曲轴和缸体间有精确的尺寸特征，此工序的机械夹手可以利用曲轴作为夹持点。

六轴机器人从托盘上抓取缸体放置于装配工位，托盘与装配工位均有缸体定位销，定位精度要求±0.05 mm，所以夹取及放置时需要机械手抓取定位精准，夹持力足够大，并且能够兼容多种型号工件。

由于工件有多种型号，每种工件夹持到位后均要反馈信号，需多位置检测，气缸本身传感器已满足不了要求。现在连接板上安装欧姆龙接近传感器即工件到位检测传感器，其檢测距离约8 mm，在机械手移动端手指上安装有感应金属片，当夹手夹持住工件后，当前工件对应的传感器感应到金属片，传感器检测到信号后反馈信号给机器人夹紧到位进行下一步动作，传感器在U型槽中可移动调节，便于现场调试安装。

每种缸体表面都有相对应的二维码，机器人在抓取前，读码器对工件进行二维码扫描，机器人切换到相应程序进行抓取。

基于以上夹手所需功能，通过分析比较不同型号工件发现缸体装配曲轴的中心孔存在共同点，所有曲轴一端属于A型不带护锥中心孔，另一端属于B型带护锥中心孔类型，均是60°中心孔，这也是曲轴加工所需的工艺结构，利用曲轴这一共同特点可作为机械手的定位和夹持点，设计出满足多种型号夹持要求的机械手;同时为防止工件在搬运过程中绕曲轴中心旋转，在夹手上方设有工件防转压块。六轴机器人工作时，机器人先移动机械手使固定端定位顶尖纫进曲轴一端中心孔，气缸缩回将移动端定位顶尖纫进曲轴另一端中心孔中完成夹持过程。

2 机械手结构设计

机械夹手设计，包括连接板、导轨滑块、气缸、浮动接头、固定端手指与移动端手指，抓取定位顶尖等。机械夹手通过连接板与六轴机器人末端相连;固定端手指与连接板相连;移动端手指与滑块相连;气缸底座连接固定端手指，连接处加工出定位凹槽，对气缸进行机械定位，便于工人装配同时防止气缸位置不准确导致后续机械手夹持位置出现偏差;气缸浮动接头连接移动手指端，通过气缸伸缩实现手抓的张开闭合，移动端手指连接滑块，导轨与连接板相连，连接处有导轨定位凹槽。气缸选用末端带锁紧机构形式，防止现场突然断电断气使气缸失灵工件掉落，造成调试人员受伤或损坏设备。

为防止抓取时过定位干涉，压块与工件上表面需留有1 mm间隙，压块采用尼龙材料防止刮伤缸体加工表面;手指采用45#钢;定位顶尖采用40Cr材料淬火调质处理，表面镀硬铬，增加韧性的同时增加耐磨性，防止长期使用变形磨损，定位顶尖通过螺钉与夹手手指连接，连接处有定位凹槽，当长时间使用磨损后可方便更换。夹手连接板上加装吊环，便于现场施工吊装。综合上述信息，最终手抓设计成如图1所示结构。

3 计算选型

缸体的长度范围220 mm～235.2 mm，夹手行程需满足L≥235.2mm-220mm+手指两端定位顶尖长度=55.2 mm，暂选定气缸行程80 mm即可满足要求。工件重量m=120 kg，利用工件形状抓取物体时气缸推力计算公式如下。

根据计算结果，选用FESTO气缸DSBC型号，6bar时气缸推力F=3016N>2078N，满足要求。利用形状抓取物体主要需考虑气缸导杆所需扭矩，所以在气缸导杆端连接直线导轨用以承载扭矩。综合受力计算结果及夹爪整体外观协调性，现选定气缸型号DSBC80-80-PPVA，导轨选用上银品牌型号HGH25HA。

4 结论

该文设计的机器人末端缸体夹持机械手，具有以下优势。

（1）机械手替代人工进行搬运工作，节省人工成本的同时提高了装配质量、装配一致性以及装配效率，提高产能，保证了生产安全等特点。

（2）与目前已有缸体抓取机械手进行比较，该文设计的机械夹手巧妙地利用曲轴两端中心孔做夹持及定位基准，整体结构简单，制造成本大大降低，不仅兼容性好适合多种型号工件夹持搬运，而且一致性好定位精度高。

（3）此种设计形式简化了电气人员现场调试步骤，降低调试难度，节省设备调试时间，设备运行稳定可靠，适合在实际生产中进行推广。

参考文献

[1]北京第一通用机械厂.机械工人切削手册[M].北京：机械工业出版社，2005：39-41.

[2]郑俊峰.夹具定位销的设计应用[J].汽车工艺与材料，2016（2）：72-75.