珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519060
摘要：目前，我国的中小型注塑企业还主要依靠人工进行上下料工作，随着国内外注塑行业的快速发展，传统的人工上下料已经无法满足工业化的需求，运用机械手代替人工已成为一种趋势，注塑机械手能够达到高效率、高质量的加工生产。
关键词：注塑机械手；设计；策略
引言
注塑机械手是由多个零部件组成的复杂动力学系统，在对某个零部件进行轻量化优化设计时只是对该系统的局部进行改善，没有从整机的层面去考虑，因此无法全面提高机械手的整体性能。为了提高注塑机手的整机性能，在优化过程中需要采用基于整机的优化设计方法，而不是只针对单个部件结构进行的。
1注塑机械手的组成和分类
1.1执行系统
机械手抓取或放下制品、实现各种操作运动的系统，由手臂、手腕和手部等部件组成。手部是用来抓取模型的部件，根据被抓取模型的形状、重量、尺寸、材料和工作环境可以有不同的结构形式，比较常见的为吸附型和夹持型。根据运动方式运动机构有升降型、伸缩型、旋转型等，运动机构可以驱动手部完成移动、转动或者两者的复合运动来实现需要的动作，来抓取不同位置和姿势的模型。
1.2驱动系统
为执行系统的各部件提供动力的系统，有气动、电动、液压及机械等形式。目前比较常用的是气动、液压和电动三种形式。气动式速度快、结构简单、成本低、有较高的重复定位精度；电动式速度快、可实现连续控制、定位精度高、但结构复杂且成本较高。液压式驱动力比较大，定位精度高，可连续控制，但是容易漏油，维修不易且易造成污染。
1.3控制系统
通过对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的工作要求进行操作，并对执行系统的动作进行修正的系统，一般包括位置检测装置和程序控制部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两种方式口3。注塑机专用机械手的所有动作都是通过控制系统的控制来完成的，尤其是机械手与注塑机在取出模型的时候的协调关系，更依赖于控制系统。
注塑机械手的类型主要有以下三种：
1）气动横走式：这种机械手横行，引拔和上下均采用气动驱动，这种机械手精度比较低，并且运动速度对气压很敏感，适用于精度要求不高的环境中。
2）单轴、三轴伺服横走机械手：横行、上下行采用伺服电机控制，引拔采用气动控制。这类机械手可靠度和运动精度较上一种有很大提高，运行也比较稳定。
3）五轴全伺服机械手：在横行、引拔行、上下行均采用伺服电机控制，运行稳定，精度高，可以做较复杂的运动。
2注塑机械手设计策略
2.1主副臂部分结构设计
注塑机械手的主副臂是机械手的关键机构。文章中设计的机械手主臂与副臂除手部结构不同之外，其余结构是相互对称的，主要由固定臂、活动臂及导轨、同步带、滑块等部件组成。为了减轻整体重量固定臂和活动臂材料，选用了重量较轻、强度较大的铝合金型材，由于对滑座的刚度要求较大，滑座的材料选用碳素钢，导轨和滑块采用直线导轨和滚珠滑块。主、副臂的结构形式是双节倍速型，与悬臂导轨连接的滑块装在滑座上。该结构更有利于节省空间，其工作原理是滑座固定不动，主要通过伺服电机驱动固定臂实现上下运动，固定臂内装有同步带，同步带固定座与滑座相连，同步带连接座固定在活动臂上，活动臂的滑块可以沿固定臂上的导轨移动，当固定臂运动时，同步带将运动传给活动臂，且活动臂相对于滑座的运动速度是固定臂的2倍。该双节伸缩结构能够减小注塑机械手的整体高度，同时缩减了作业时间。
2.2横梁部分结构设计
横梁是由灰铸铁铸成的薄壁空心结构，其具有较高的强度且重量较轻，横行滑座采用刚度较好的碳素结构钢。导轨和滑块同样选用滚珠线性导轨，横梁底部固定在底座上。横行滑座安装在导轨滑块上，滑座上装游伺服电机、减速器及带轮、惰轮等零部件。在伺服电机的驱动下，通过同步带带动滑座运动，完成横行动作。
2.3拾取组件的设计
注塑机械手的手部能够根据具体的注塑产品特征，经过专门设计，取放产品和回收废料。因此，手部结构由产品的尺寸、形状及重量等因素共同决定。注塑机械手的手部结构一般分为吸附式和夹持式。夹持式结构为了保证抓取的可靠性，一般设计的夹持力较大，虽然保证了抓取的稳定性，但是，容易对产品造成伤害，因此，夹持式一般用作废料的取放；吸附式手爪一般不会对产品造成伤害，且可以抓取的物品形状的限制较小，被广泛应用于注塑产品的取放。在文章设计的机械手主臂上，安装了吸附式手爪，进行产品的取放，而废料的夹取通过在副臂上安装的夹持式手爪实现。主臂末端主要由气缸、支架、翻爪及传感器组成，整个组件通过支架与主臂的活动臂固定并连接，气缸与支架通过轴连接，翻爪装在气缸推杆上，且翻爪与支架通过轴连接，通过控制气缸推杆的推拉运动实现翻爪的翻转，在气缸壁上装有2个位置传感器，用作反馈翻爪的状态。副臂末端夹取机构主要由连接件、手指气缸和夹钳组成。手指气缸通过连接件与副臂的活动臂相连接。手指气缸上装有夹钳，当气缸推杆运动时，能够控制夹钳实现夹取和释放动作。
3注塑机械手运动学仿真分析
将Solidworks建立的三维模型经过简化，去掉一部分轴承、机箱、传感器等，对结果基本无影响的零部件，导入ADAMS中，进行仿真分析。首先，设置模型的基本属性，对各个零部件的材料、密度等进行选择和设置，然后，添加运动副和约束。以上工作完成后，添加驱动，设置仿真时间为8s，仿真步数为1000步，设主副臂的上下行运动的驱动函数如式（1）所示。
虚线表示主副臂进行上下行运动的位移曲线，实线表示主副臂进行上下行运动的速度曲线，当机械手在主副臂进行上下行运动时，有4段位移过程，其中，最大位移为800mm，最大速度为3000mm/s。当机械手在进行引拔运动时，有2次位移过程，主臂的最大位移为380mm，最大速度为1400mm/s，副臂的最大位移为160mm，最大速度为600mm/s。当机械手在进行横行运动时，有2次位移过程，最大位移为1530mm，最大速度为1600mm/s。上下行、引拔和横行3个方向运动的位移和速度均是同步变化的，这与运动规律相符合，且速度曲线均平滑无尖角，这表明当机械手在作各项运动时，比较平稳，没有出现明显的振动，满足注塑机械手的工作要求。
结语
文章根据卧式注塑机上下料工作的特点，设计了一台注塑机专用五轴伺服机械手，主要用作工件或废料的拿取工序，其主要由底座、横梁机构、悬臂机构、主副臂机构、手部机构等部件组成，将绘制的注塑机械手三维模型简化后，导入ADAMS中，对注塑机械手进行运动学分析，分别得到了机械手横行运动、主副臂的上下行运动以及主副臂沿悬臂的引拔运动3个运动方向的位移、速度随时间变化的曲线，曲线均平稳变化无尖角，证明机械手能够平稳工作，验证了设计的合理性，并为注塑机械手的运动控制提供了理论支持。
参考文献：
［1］姜衡，管贻生，邱志成.基于响应面法的立式加工中心动静态多目标优化［J］.机械工程学报，2011，47（11）：125-133．
［2］程彬彬，黄美发，吴常林.基于ANSYSWorkbench的龙门铣床横梁多目标优化设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2015（2）：10-12.
［3］刘成颖，谭锋，王立平.基于灵敏度分析的机床床身多目标优化研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2015（3）：1-4.