（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

0 引言

空氣濾清器是汽車進氣系統(tǒng)的一個重要部件，它的用途是清除空氣中的微粒雜質，給發(fā)動機提供純凈的空氣[1]，使發(fā)動機具有更長的使用壽命，并具有一定的進氣消聲作用[2～4]。它由上端蓋、下端蓋、中心管和濾層組成，濾層是濾芯中過濾油的主要部件，它由紙質材料折疊成均勻的風琴褶，然后合縫成環(huán)狀，所以它有風琴褶散開的擴大狀態(tài)和風琴褶被壓緊的縮小狀態(tài)。在濾芯的自動裝配線中，前道工序已經(jīng)對濾層進行了擴松，使其紙牙之間張開而不粘連，并且將中心管套裝在濾層中，然后通過一個濾層中心管上料機械手將濾層和中心管組合抓取并移載至下一安裝工位，因此，在濾層中心管上料機械手中需要一個能抓取散開的濾層和中心管組合的抓手，并且要求軸向均勻縮緊，使濾層維持風琴褶的形狀，并且能適應不同直徑大小產(chǎn)品的抓取，使生產(chǎn)線在更換產(chǎn)品規(guī)格時無需更換抓手，滿足結構簡單、效率高、成本低的要求[5]。

1 濾層中心管的狀態(tài)

如圖1所示，圖1(a)為前道工序將濾層放松后的狀態(tài)，圖1(b)上料機械手抓手夾緊后的狀態(tài)。濾芯產(chǎn)品直徑有71.5mmm和58.5mm兩種規(guī)格，而在放松狀態(tài)下濾層最大直徑可以達到110mm。

1.1 傳統(tǒng)夾緊方式存在的問題

圖1 濾層中心管放松與夾緊狀態(tài)

對于剛性圓柱體類物體的夾緊，通常可以采用V型塊對中夾緊方式，但現(xiàn)在夾緊面呈柔性且圓周呈風琴褶狀態(tài)，因此設想夾緊面采用圓弧槽的形狀。為了對中夾緊，可以有鉸鏈開口式[6]或者對中開閉式的夾緊方式，但是當它們去夾緊柔性的濾層時，會出現(xiàn)如圖2(a)和圖2(b)的兩種情況，即在夾緊過程中，濾層受力不均勻，導致部分濾層紙牙被擠出夾具外面的現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)的夾緊方式無法使用，需要設計一種新型的對柔性濾層夾緊的抓手，使其能對散開的濾層周向同步均勻向內夾緊。

圖2 傳統(tǒng)的夾緊方式對濾芯破壞情況

2 濾層中心管組合的抓手設計

2.1 濾層中心管組合的抓手設計思路

根據(jù)濾層風琴褶散開特點，本研究設計了一種柔性的鋼絲索包絡式抓手，即采用多條鋼絲索在濾層的一周形成包絡線，鋼絲索兩端分別與兩塊可以相對轉動的聯(lián)接板連接，兩塊板的相對轉動帶動鋼絲索周向運動使鋼絲索之間組成的空間縮小，完成對濾層中心管的夾緊抓取功能，其結構如圖3所示。

圖3 鋼絲索包絡式抓手

擺動盤和抓夾環(huán)分別位于上、下兩層，擺動盤可在推擺氣缸及連桿機構作用下旋轉。抓夾環(huán)固定安裝于機械手安裝板上。擺動套的下端與抓夾環(huán)的上端分別均勻安裝八個銷釘且相互對應，八條抓緊索順次套裝在上下八個銷釘上并可繞各自銷釘轉動，應保證抓緊索上端與下端的安裝依次偏轉1350。

抓手工作時擺動套順時針轉動，八個抓緊索的上端在擺動套的帶動下轉動，下端由于與抓夾環(huán)連接保持不動，因此每一條抓緊索均旋轉一定的角度，使八個抓緊索之間組成的空間縮小，從而實現(xiàn)對濾層和中心管組合的抓取動作；擺動套逆時針轉動，使八個抓緊索之間組成的空間放大，實現(xiàn)對所述濾層和中心管組合的釋放動作。

2.2 鋼絲索設計

在這個包絡式抓手中，鋼絲繩的長度和擺動套的旋轉角度設計較為關鍵，如果長度長了，擺動的角度不夠，則無法夾緊產(chǎn)品；但如果長度短了，擺動的角度太大，則會使抓手抓的太緊，造成濾層表面有痕跡，產(chǎn)生不良品。

如圖4是鋼絲索包絡式抓手的俯視圖，本文所設計鋼絲索包絡式抓手采用八條鋼絲索。其中圖4(a)是110mm抓手放松狀態(tài)，圖4(b)圖是58.5mm抓手夾緊狀態(tài)，為了便于計算所述鋼絲索的長度以圖4(b)所示的夾緊狀態(tài)下的鋼絲索，來計算鋼絲索的最長長度。

圖4 濾層中心管釋放和抓取狀態(tài)簡圖

如圖4所示分別用大寫字母A、B、C、D、E、F、G、H和A0、B0、C0、D0、E0、F0、G0、H0對應表示擺動套和抓夾環(huán)上八個銷釘?shù)膶恢?。用小寫字母aibi（i=1，2，…，8）表示一條鋼絲索上的兩個端點，其中a1連接抓夾環(huán)上A點位置，b1連接擺動套上D0點位置，當擺動套順時針旋轉時，b1從D0位置移動到F0位置，鋼絲索收緊濾層，此時鋼絲索a1b1分別與濾芯交于P點和Q點，將圖形投影到下端，可得到如圖5所示的投影圖，其中點P和點Q的投影點分別為點p和點q。

圖5 鋼絲索投影圖

在△AOF中，由余弦定理可得：

式中，AO=0F=R且R是八個銷釘組成圓的半徑。

在△AOp和△FOq中，由勾股定理計算可得：

式中r：為濾芯收緊到58.5mm時的半徑。

分別作點p和點q到直線AF的垂線，垂足分為點p0和點q0，由勾股定理可得：

如圖6所示，為鋼絲索在空間中的平面圖，用h、h1、h2、h3分別表示擺動套到抓夾環(huán)的垂直距離、點A到點P的垂直距離、點Q到點q的垂直距離、點P到點Q的垂直距離，由平行線分線段成比例定理可知：

圖6 鋼絲索空間平面圖

由投影定理可知：

根據(jù)螺旋線計算公式[7]得：

式中，d為濾芯收緊到58.5mm時的直徑。

故鋼絲索的總長度為：

將式(1)～式(6)代入式(7)即可得到鋼絲索需要的長度，具體數(shù)據(jù)根據(jù)結構不同而不同，這里不加概述。

2.3 擺動套驅動力計算

擺動套的旋轉驅動，其驅動力大小也是關鍵參數(shù)。若驅動力過大，即將導致濾層出現(xiàn)壓痕，破壞產(chǎn)品質量，但若驅動力過小，則可能無法夾緊濾層，導致機械手移載過程中濾層的掉落。

采用曲柄滑塊機構推擺氣缸驅動擺動套的旋轉，如圖7所示機構運動簡圖[8]。由2.2節(jié)可知，濾芯完成從110mm的規(guī)格加工到58.5mm的規(guī)格時，轉臂順時針轉動900。轉臂的長度為l1，則推擺氣缸最大的行程L為：

由于濾層紙張的變形較難計算，故采用實驗方法得到其鋼絲索最大拉力為13.7N，由力矩平衡知氣缸輸出推力F=18N，由氣缸輸出效率為0.6[9]，可知氣缸理論輸出力F0=F/0.6=30N，則氣缸的直徑D為：

式中，P為工作壓力，0.4MPa。

將上述數(shù)據(jù)代入式(8)得D=9.7mm，故選取氣缸缸徑為10mm。

圖7 驅動機構運動簡圖

3 結論

針對在濾層縮緊的過程中出現(xiàn)個別風琴褶的不規(guī)整，一些褶皺在壓緊的過程中會錯位，使濾層不能形成一個完整的圓形的問題，本文分析比較了傳統(tǒng)夾緊方式出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，設計了一種鋼絲索包絡式抓手，不僅解決了上述問題，同時可以抓取不同直徑大小的產(chǎn)品，提高裝配線更換加工產(chǎn)品時設備調整的效率，最后對鋼絲索的長度和推擺氣缸的選取進行了計算。