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      應(yīng)用于機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪

      2023-10-23 02:09:58高霄李冬艷
      金屬加工(冷加工) 2023年10期
      關(guān)鍵詞:貨叉手爪夾具

      高霄,李冬艷

      西安精雕精密機(jī)械工程有限公司 陜西西安 710000

      1 序言

      隨著機(jī)器人研究的深入和傳感技術(shù)的不斷更新,機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬,機(jī)器人手爪作為機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),是一個(gè)高度集成的、具有多種感知功能的機(jī)電系統(tǒng),涉及的領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)學(xué)、仿生學(xué)、自動(dòng)控制以及傳感器技術(shù)等學(xué)科[1,2]。機(jī)器人手爪按照抓取對象的不同分為通用手爪和專用手爪,通用手爪指靈巧手[1],屬柔性手爪,仿人手去抓取任何物體,近年來各類型通用手爪的研究不斷迭代更新,靈巧手越來越接近人手功能,應(yīng)用在醫(yī)療、空間探測、海洋資源探測、軍事偵察以及危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等場所[1,3],通用手爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要同時(shí)具備識別和抓取功能,手爪一般集成幾十個(gè)各種類型的傳感器以及柔性的抓取結(jié)構(gòu)[1];專用手爪一般指應(yīng)用在某些特定場合或特定產(chǎn)品的工業(yè)流水線上的手爪,其結(jié)構(gòu)簡單,集成傳感器少,而應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪屬于專用手爪[2]。本文列舉分析應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的專用手爪典型結(jié)構(gòu),主要針對質(zhì)量在300kg以內(nèi)、尺寸在600mm×600mm×500mm(長×寬×高)以內(nèi)的工件進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn),概括總結(jié)其在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用場合。

      2 機(jī)器人手爪類型

      應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)器人手爪類型較多,按照手指結(jié)構(gòu)區(qū)分,常用的有兩指手爪、三指手爪、貨叉式手爪、握爪類手爪以及吸盤類手爪;按照驅(qū)動(dòng)方式又可分為氣動(dòng)手爪、液壓手爪以及電動(dòng)手爪[4];按照末端抓取機(jī)構(gòu)數(shù)量又可分為單手爪、雙手爪以及多手爪結(jié)構(gòu)。

      機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)需要包含具有零點(diǎn)定位功能的機(jī)內(nèi)夾具,機(jī)內(nèi)夾具安裝在機(jī)床工作臺(tái)上,與工件隨行夾具或直接與工件配合,實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床內(nèi)的高精度重復(fù)定位,而機(jī)器人手爪通過抓取工件隨行夾具或直接抓取工件,實(shí)現(xiàn)其在機(jī)內(nèi)夾具與儲(chǔ)料系統(tǒng)之間的流轉(zhuǎn)。

      2.1 典型手爪結(jié)構(gòu)

      (1)兩指氣動(dòng)手爪 兩指氣動(dòng)手爪在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用最廣泛,簡稱兩指氣爪。典型的兩指氣爪結(jié)構(gòu)如圖1所示,包含氣爪本體和兩個(gè)氣爪活動(dòng)端,在氣壓或彈簧的作用下,兩個(gè)氣爪活動(dòng)端相對于氣爪本體往復(fù)平動(dòng)。兩指氣爪應(yīng)用較為成熟,相關(guān)供應(yīng)商均有成熟的產(chǎn)品可選用,兩指氣爪活動(dòng)端安裝手指,通過手指實(shí)現(xiàn)被抓取物的準(zhǔn)確定位和夾取,機(jī)器人手爪由兩指氣爪和兩個(gè)手指構(gòu)成,圖2所示為機(jī)器人手爪抓取隨行夾具,圖3所示為機(jī)器人手爪直接抓取工件,目前更為常用的是機(jī)器人手爪抓取隨行夾具,工件固定在隨行夾具上,這種方式可實(shí)現(xiàn)夾具和手指的標(biāo)準(zhǔn)化,圖2所示即為典型的機(jī)器人手爪抓取電極夾具座,電極夾具座為標(biāo)準(zhǔn)電極隨行夾具,通過PLC和電磁閥自動(dòng)控制氣爪的開合,實(shí)現(xiàn)手指1和手指2對隨行夾具的夾緊和松開,進(jìn)而通過機(jī)器人的路徑設(shè)置搬運(yùn)隨行夾具上的工件到指定位置。

      圖2 機(jī)器人手爪抓取隨行夾具

      圖3 機(jī)器人手爪抓取工件

      兩指氣爪適用于搬運(yùn)質(zhì)量、體積較小的工件,其與待搬運(yùn)物的定位方式主要為仿形,夾緊主要靠摩擦力及托舉。

      (2)三指氣動(dòng)手爪 三指氣動(dòng)手爪簡稱三指氣爪,其與兩指氣爪原理類似,輸出為三個(gè)活動(dòng)端,適合直接抓取形狀較規(guī)則的工件,圖4所示為三指氣爪抓取工件,三指氣爪具有二次定位功能,可在一定范圍內(nèi)調(diào)整被抓取工件的中心。三指氣爪也有成熟的產(chǎn)品可直接選用,按照被抓取工件的特征選擇合適的氣爪型號,手指結(jié)構(gòu)根據(jù)被抓取工件定制。

      圖4 三指氣爪抓取工件

      三指氣爪可搬運(yùn)工件的類型由工件外形及材質(zhì)確定,其與待搬運(yùn)物體的定位和夾緊方式也是靠仿形、摩擦或托舉。

      (3)貨叉式手爪 貨叉式手爪結(jié)構(gòu)簡單,在自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛,在自動(dòng)上下料系統(tǒng)中用于叉取托盤或工件,自動(dòng)上下料系統(tǒng)對叉取對象的精度有較高要求,因此需要在貨叉上增加精確定位的裝置。貨叉式手爪結(jié)構(gòu)如圖5所示,定位銷用于限制被抓取物在水平方向上的自由度,豎直方向位置靠重力和定位面保障。貨叉式手爪作為常規(guī)的六軸機(jī)器人末端手爪時(shí),機(jī)器人手爪必須保持平移姿態(tài),第六軸不可有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

      圖5 貨叉式手爪結(jié)構(gòu)

      貨叉式手爪適合搬運(yùn)質(zhì)量、體積較大的工件,手爪不需要驅(qū)動(dòng)源,結(jié)構(gòu)及控制方式簡單,由于使用貨叉搬運(yùn)的形式,托盤底部或工件上需要設(shè)計(jì)貨叉取放料空間。

      (4)握爪式手爪 握爪式手爪結(jié)構(gòu)如圖6所示,由握爪主夾緊端和握爪工具端兩部分組成,握爪主夾緊端固定在機(jī)器人末端,握爪工具端固定在被抓取托盤或工件上,握爪主夾緊端通過氣動(dòng)/液壓/彈簧等形式實(shí)現(xiàn)對握爪工具端的夾緊/松開,從而實(shí)現(xiàn)對工件的搬運(yùn),握爪式手爪主夾緊端和工具端的重復(fù)定位精度可保證被搬運(yùn)工件的位置精度。握爪式手爪也可選用成熟的產(chǎn)品,可搬運(yùn)工件的質(zhì)量和體積根據(jù)握爪型號確定,成本較高,應(yīng)用握爪式手爪搬運(yùn)托盤或工件時(shí),被搬運(yùn)工件需要增設(shè)握爪工具端安裝孔位。

      圖6 握爪式手爪

      (5)吸盤手爪 吸盤手爪(見圖7)屬于氣動(dòng)手爪,包括真空發(fā)生器和真空吸盤,真空發(fā)生器將輸入端的正壓轉(zhuǎn)換為負(fù)壓,負(fù)壓供給吸盤將工件吸起,從而實(shí)現(xiàn)對工件的搬運(yùn)。吸盤手爪適合搬運(yùn)薄板類工件、表面規(guī)則的球形工件等,抓取薄板類工件時(shí),可根據(jù)其尺寸大小在同一抓取面布置多個(gè)吸盤,以實(shí)現(xiàn)對工件的穩(wěn)定抓取。

      圖7 吸盤手爪

      2.2 雙手爪結(jié)構(gòu)

      在一些加工節(jié)奏要求較快的場合,為減少上下料機(jī)床等待時(shí)間,通常需要配置機(jī)器人雙手爪結(jié)構(gòu),雙手爪結(jié)構(gòu)類型較多,包含桁架式雙手爪結(jié)構(gòu)[5]、基于機(jī)器視覺的雙手爪結(jié)構(gòu)[6]、雙工位雙手爪結(jié)構(gòu)[7]以及含旋轉(zhuǎn)模塊的雙手爪結(jié)構(gòu)[8],應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的雙手爪結(jié)構(gòu)一般為上料手爪和下料手爪集成安裝在機(jī)器人末端,雙手爪為上述典型手爪結(jié)構(gòu)的二次集成[5]。應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的典型雙手爪結(jié)構(gòu)如圖8所示,包含旋轉(zhuǎn)模塊、手爪安裝板以及上料手爪和下料手爪,上料手爪和下料手爪固定安裝在手爪安裝板上,手爪安裝板固定安裝在旋轉(zhuǎn)模塊輸出端,隨旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動(dòng),圖示旋轉(zhuǎn)模塊有兩個(gè)位置,位置1代表初始位置,位置2代表旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)180°后位置,上下料動(dòng)作方式如下所述。

      圖8 典型雙手爪結(jié)構(gòu)

      雙手爪上下料動(dòng)作:確認(rèn)上下料手爪空置→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊處于位置1→上料手爪從儲(chǔ)料系統(tǒng)抓取毛坯料托盤→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊旋轉(zhuǎn)至位置2→下料手爪從機(jī)床抓取成品料托盤→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊處于位置1→上料手爪將毛坯料托盤放置在機(jī)床夾具上→機(jī)器人控制旋轉(zhuǎn)模塊旋轉(zhuǎn)至位置2→下料手爪將成品料盤放置在成品儲(chǔ)料位,重復(fù)以上步驟。

      機(jī)器人雙手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用在加工節(jié)奏要求較快的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中,實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式多樣,旋轉(zhuǎn)模塊可使用其他形式的結(jié)構(gòu)代替,目的為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)手爪的位置切換,雙手爪安裝在六軸機(jī)器人末端時(shí),其第六個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可代替圖8所示的旋轉(zhuǎn)模塊。

      2.3 桿狀類工件抓取雙手爪

      隨著機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)客戶需求的不斷增加,需要針對不同客戶的目標(biāo)產(chǎn)品開發(fā)定制不同種類的機(jī)器人手爪,桿狀類工件的自動(dòng)上下料加工需求是一種典型的需求方案,典型的桿狀類工件,如刀桿,其特點(diǎn)是工件尺寸小、加工節(jié)奏快,需要使用雙手爪結(jié)構(gòu),但典型的雙手爪結(jié)構(gòu)(見圖8)應(yīng)用在桿狀類工件的抓取中存在整體尺寸大、結(jié)構(gòu)及動(dòng)作復(fù)雜以及成本高等問題。

      針對刀桿的機(jī)床自動(dòng)上下料需求,開發(fā)了一款適合桿狀類工件抓取的雙手爪結(jié)構(gòu),手爪結(jié)構(gòu)如圖9所示,主體結(jié)構(gòu)包含雙氣缸主體、左手指組件、右手指組件以及手指固定端,雙氣缸主體設(shè)置前后兩個(gè)平行氣缸,左手指組件和右手指組件在前后兩個(gè)平行氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng),與手指固定端形成夾緊、松開結(jié)構(gòu),如圖9a所示,動(dòng)作方式如下所述。

      圖9 桿狀類工件抓取雙手爪

      左手指夾緊的動(dòng)作方式,如圖9b所示:氣缸1通氣,驅(qū)動(dòng)活塞1向左移動(dòng),活塞1推動(dòng)左手指組件向左移動(dòng),左手指與左手指組件末端相連,隨左手指組件向左移動(dòng),與手指固定端配合形成一個(gè)夾指,夾取桿狀工件,如圖9a所示,氣缸1持續(xù)通氣,左手指夾取力保持;左手指松開的動(dòng)作方式:氣缸1斷氣,左手指組件在彈簧的作用下向右移動(dòng)復(fù)位,推動(dòng)活塞1向右移動(dòng),左手指與左手指組件末端相連,隨左手指組件向右移動(dòng),松開桿狀工件,氣缸1不通氣,左手指在彈簧力作用下保持松開狀態(tài)。

      桿狀類工件抓取雙手爪動(dòng)作流程如圖10所示。

      圖10 動(dòng)作流程

      桿狀類工件抓取雙手爪集成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸為一體,整體結(jié)構(gòu)緊湊,并且相較于典型的成品氣缸集成類雙手爪,成本大幅下降,目前已成熟應(yīng)用于刀具磨削、異形刀桿加工和醫(yī)療用品等桿狀類工件的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中。

      2.4 機(jī)器人快換手爪

      機(jī)器人快換手爪也是目前應(yīng)用于機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的一種抓取模式[9],尤其在產(chǎn)線式機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中,一種類型的手爪可能無法滿足多種類工件抓取的需求,快換手爪即可根據(jù)目標(biāo)工件的不同自動(dòng)更換手爪。機(jī)器人快換手爪的結(jié)構(gòu)如圖11所示,包含一個(gè)安裝在機(jī)器人末端的快換主夾緊器(見圖11a)和多個(gè)快換工具適配器(見圖11b、圖11c),快換主夾緊器和工具適配器配合可實(shí)現(xiàn)工具適配器末端手爪的氣路和電路接通,從而控制其對工件的取放。安裝在機(jī)器人末端的快換主控制器,根據(jù)主控程序設(shè)定,切換不同的工具適配器手爪以抓取不同工件進(jìn)行機(jī)床自動(dòng)上下料,工具適配器數(shù)量一般為兩個(gè)及以上,具體按需配置??鞊Q手爪的主控制器配套工具適配器也有成熟的產(chǎn)品供選用。

      圖11 機(jī)器人快換手爪結(jié)構(gòu)

      3 機(jī)器人手爪驅(qū)動(dòng)方式

      典型機(jī)器人手爪的驅(qū)動(dòng)源包括氣動(dòng)、液壓和電動(dòng),部分手爪不需要驅(qū)動(dòng)源僅通過結(jié)構(gòu)配合即可完成定位抓取,如貨叉式手爪。氣動(dòng)手爪通過清潔后的壓縮空氣即可作為驅(qū)動(dòng)源,目前的生產(chǎn)車間均配置空氣壓縮系統(tǒng),其易獲取、零污染的特性使其在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用[5,10]。液壓驅(qū)動(dòng)可應(yīng)用于夾緊力及夾取穩(wěn)定性要求更高的場合,液壓驅(qū)動(dòng)需要配液壓站,成本較氣動(dòng)高。電動(dòng)手爪則應(yīng)用于一些多形態(tài)、多種類抓取的復(fù)雜場合,電動(dòng)手爪一般內(nèi)置傳動(dòng)機(jī)構(gòu),動(dòng)作復(fù)雜,技術(shù)要求和成本較高[5]。

      4 機(jī)器人手爪控制方式

      P L C控制系統(tǒng)屬于當(dāng)下主要的機(jī)器人控制系統(tǒng),其可依賴各種控制技術(shù),完成對工業(yè)機(jī)器人的全面操控,使其滿足工業(yè)生產(chǎn)需求[10]。以典型的氣動(dòng)手爪為例,機(jī)器人手爪的控制方式包括手爪開合的控制、確認(rèn)開合位置的反饋以及防呆檢測。

      手爪開合的自動(dòng)控制通過電磁閥實(shí)現(xiàn),電磁閥的動(dòng)作則受控于PLC主程序,當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)至指定位置時(shí),PLC主程序控制電磁閥動(dòng)作,如手爪打開,自動(dòng)定位、夾取工件后手爪閉合,可按照手爪的控制方式選擇不同類型的電磁閥。確認(rèn)開合位置的反饋需要通過傳感器檢測,磁性開關(guān)在氣動(dòng)手爪中的應(yīng)用較廣泛,磁性開關(guān)利用磁場的作用實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān),與帶有磁環(huán)的活塞配合檢出氣爪的開合情況,反饋至主PLC程序,確保開合動(dòng)作執(zhí)行正確;光電類傳感器也可檢測手爪開合情況,如圖9a所示的傳感器即可檢測是否取料成功,反饋至主PLC程序,具體按照使用要求選擇。防呆檢測包括待夾取工位是否有料、手爪取放料是否成功、放料位是否空置等,防呆檢測的形式多樣,包括光電傳感器、無線射頻識別技術(shù)以及其他檢測方式,有時(shí)配合機(jī)床的在線檢測功能,確保自動(dòng)供料機(jī)器人穩(wěn)定抓取、與機(jī)床正常通信、機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

      5 結(jié)束語

      本文總結(jié)了應(yīng)用在機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu),包含典型的手爪結(jié)構(gòu)以及自研的桿狀類工件抓取雙手爪,具體的選用根據(jù)實(shí)際情況確定,選用原則是形式可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。本文列舉的只是應(yīng)用于限定尺寸、質(zhì)量范圍內(nèi)的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)常用機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu),所含手爪種類只是部分,且應(yīng)用場合存在局限,隨著工業(yè)自動(dòng)化及新型技術(shù)的發(fā)展,期待相關(guān)領(lǐng)域的新發(fā)展和更大突破。

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