摘要：電子焊接生產(chǎn)中有較多兩人合作才能完成的情況，比如插頭/插座焊接，需要一人拿著插頭/插座，另外一人拿著電線完成焊接。電路板焊接也經(jīng)常出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)等操作以求得到較好工作位置的情形。因此，設(shè)計(jì)一種電子焊接生產(chǎn)輔助機(jī)械手臂以及末端夾具，能夠夾持被焊接件，其末端位置、姿態(tài)能夠被操作者輕松變動(dòng)，同時(shí)該位置能夠很好保持，具有一定阻尼，滿足操作者焊接需求。
在電子焊接小批量生產(chǎn)過程中，某些工藝需兩人配合才能完成，比如插頭/插座焊接。操作者A拿著插頭/插座，操作者B拿著焊槍和電纜線完成焊接。操作者A根據(jù)焊接位置變換和操作者B的要求改變方位。另外，在電路板焊接過程中，電路板需要經(jīng)常翻轉(zhuǎn)或者變換一定姿態(tài)以方便操作者完成焊接動(dòng)作?，F(xiàn)在普遍采用電子焊接輔助工作臺(tái)，如圖1所示，用兩個(gè)夾子將電路板固定，但其翻轉(zhuǎn)角度和位置有限。
設(shè)計(jì)一種電子焊接輔助機(jī)械手臂，具備的主要功能是其末端能夠很好地夾持住插頭、插座、電路板等。操作者能夠很方便地改變其位置、姿態(tài)。同時(shí)，整個(gè)機(jī)械臂具有一定可調(diào)校的阻尼，這樣在焊接操作過程中，被焊接件不會(huì)輕易移動(dòng)或者是轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1 電子焊接輔助工作臺(tái)
整個(gè)設(shè)計(jì)過程參考了現(xiàn)在比較普遍的電腦顯示器支架相關(guān)結(jié)構(gòu)。主體機(jī)械臂具有5個(gè)自由度，能夠滿足末端夾持機(jī)構(gòu)的上下、左右移動(dòng)以及翻轉(zhuǎn)。末端夾持件會(huì)經(jīng)常變換，因此，在機(jī)械臂末端設(shè)計(jì)一個(gè)可以快速更換結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，該機(jī)械臂包含5個(gè)自由度，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)為兩個(gè)平行的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械臂在水平面的大范圍調(diào)整。第三關(guān)節(jié)為平行四邊形機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，相當(dāng)于人手臂的肘關(guān)節(jié)，可調(diào)節(jié)末端夾具的位置。平行四邊形關(guān)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是可增加結(jié)構(gòu)的剛度，減小變形，提高機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度。當(dāng)只有第三關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，末端夾具只做平移運(yùn)動(dòng)，可以保持其姿態(tài)不變[1]。第四關(guān)節(jié)做水平面擺動(dòng)，第五關(guān)節(jié)做上下擺動(dòng)。該機(jī)械臂可保證末端夾具被移動(dòng)到需要的位置，并調(diào)整至需要的姿態(tài)。
1.底座 2.第一關(guān)節(jié) 3.第二關(guān)節(jié) 4.第三關(guān)節(jié)上支臂 5.第四關(guān)節(jié)6.第五關(guān)節(jié) 7.第三關(guān)節(jié)下支臂 8.氣彈簧
圖2 機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)
電子焊接輔助機(jī)械臂另外一個(gè)重要的功能是在末端夾具調(diào)整至需要的位置和姿態(tài)后，能夠自保持，具有一定阻尼。這樣，操作者在完成焊接動(dòng)作的時(shí)候，整個(gè)機(jī)械臂不會(huì)晃動(dòng)。
工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)通常是以單軸或多軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制為目的。其每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)組成一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)[2]。這樣便能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端位置控制與保持。但是電子焊接生產(chǎn)輔助機(jī)械臂一般需要固定在焊接工作臺(tái)上，占用空間必須小，操作方便。因此，位置保持功能采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主要思路便是在各個(gè)關(guān)節(jié)增加阻尼機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候需要一定的外力，操作者焊接過程所施加的力不足以讓機(jī)械臂各關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
第一、第二、第四、第五關(guān)節(jié)采用塑料套筒/墊片＋緊定螺栓方式。
舉例說明，如圖3所示，第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)采用螺栓連接，但是在第四關(guān)節(jié)上下面分別開了一定深度的沉孔。剛好可以放入一個(gè)墊片，該墊片采用塑料制作，具有一定柔軟度。塑料墊片可以增加兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的摩擦，通過調(diào)整螺栓松緊度來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)之間的阻尼大小。
1.第三關(guān)節(jié) 2.螺栓 3.塑料墊片 4.第四關(guān)節(jié) 5.螺母
圖3 采用塑料套筒/墊片＋緊定螺栓連接關(guān)節(jié)
第三關(guān)節(jié)主要作用是調(diào)整機(jī)械臂的高度，同時(shí)也要具備保持位置的功能，即類似轎車后備箱“隨意停”功能，采用氣彈簧實(shí)現(xiàn)。氣彈簧又被稱為支撐桿、調(diào)角器、氣壓棒或阻尼器，是一種具有支撐、緩沖、制動(dòng)、高度調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)等功能的配件。該配件在醫(yī)療設(shè)備、汽車、家具、紡織設(shè)備、加工行業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。氣彈簧主要有自由型氣彈簧、自鎖型氣彈簧、自平衡式氣彈簧、牽引式氣彈簧、阻尼器等類型[3]。
該設(shè)計(jì)在第三關(guān)節(jié)上支臂和下支臂之間設(shè)置自平衡式氣彈簧。自平衡式氣彈簧在活塞桿受壓達(dá)一定值時(shí)可打開氣閥，活塞在缸筒自由運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞兩端壓力平衡時(shí)通過彈簧力使氣閥自動(dòng)關(guān)閉，活塞停留，達(dá)到自平衡。上支臂、下支臂、連接頭構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)械臂高度位置時(shí)，在自平衡式氣彈簧的作用下，末端夾具可在任意高度位置上自由停留[4]。
機(jī)械臂本體可以實(shí)現(xiàn)位置、姿態(tài)調(diào)節(jié)功能，而末端手爪便是夾持需要操作的零/部件。
本文以電纜插頭/插座夾持手爪為例。設(shè)計(jì)手爪機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的因素：①應(yīng)該有適中的夾緊力，既能準(zhǔn)確抓取，又能保證物品不損壞；②兩手指之間應(yīng)該有足夠的移動(dòng)范圍，張開的時(shí)候能夠滿足最大物品的直徑值；③應(yīng)該有一定的強(qiáng)度和剛度；④適應(yīng)不同尺寸，具有抓取自適應(yīng)性，并保證抓取物品時(shí)自動(dòng)對心；⑤結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小[5]。
機(jī)械臂本體具有5個(gè)自由度，為了更加方便地實(shí)現(xiàn)末端手爪姿態(tài)調(diào)節(jié)，需要加上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，類似人手的腕關(guān)節(jié)，末端手指的開合由人手調(diào)節(jié)。由于需要夾持的有電纜插頭/插座，也有比較寬大的電路板，因此，手爪根部需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠更換夾頭的結(jié)構(gòu)。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)趙延軍[6]在蘋果果袋摘除機(jī)械手爪研究中采用絲杠和滑塊為主要運(yùn)動(dòng)部件，絲杠左右兩側(cè)分別為左旋和右旋，旋向不同。這樣，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可以驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)分離機(jī)構(gòu)同時(shí)靠攏或者分開，達(dá)到夾緊/松開的目的。該機(jī)械手爪對本文具有借鑒意義。
如圖4所示，末端手爪包含底座、快換接頭、U型座、雙向絲杠、頂蓋、調(diào)節(jié)旋鈕、導(dǎo)桿、軸承、夾塊等組成。底座采用鋼材料制成，其主要目的是配重，因?yàn)榍岸说谌P(guān)節(jié)采用的自平衡式氣彈簧，需要一定的載重才能實(shí)現(xiàn)“任意位置停留”的功能。底座和末端夾爪之間借用常見結(jié)構(gòu)的“自鎖快換氣動(dòng)接頭”，如圖5所示，在公頭和母頭連接之間加上塑料墊片，目的是加大兩者相對轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼。該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)“快速更換”功能的同時(shí)，還可以為機(jī)械手爪增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。底座和快換接頭之間、快換接頭和U型坐之間均采用螺紋連接。
快換接頭兩端外面均是六角頭形式，在底座上表面和U型座下表面都與之對應(yīng)開有六角凹槽，快換接頭兩端都陷進(jìn)底座、U型座2 mm，這樣末端夾爪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)帶動(dòng)連接螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)。
1.底座 2.快換接頭 3.U型座 4.雙向絲杠 5.夾塊 6.導(dǎo)桿 7.螺釘 8.銅塊 9.旋鈕 10.頂蓋 11.螺釘
圖4 用于夾持電纜插座/插頭的機(jī)械手爪
圖5 添加塑料墊片的快換夾頭
U型座和夾塊采用鋁制成，導(dǎo)桿和雙向絲杠采用鋼材料制成。U型座開有兩排平行孔，下端孔用于安裝軸承，軸承外圈由端蓋頂住。按螺紋副摩擦性質(zhì)的不同，絲杠分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠和靜壓絲杠三種，本文選滑動(dòng)絲杠[7]。雙向絲杠為階梯軸，兩邊階梯用于頂住軸承內(nèi)圈。右邊延伸一定長度用于安裝旋鈕。上端孔用于安裝導(dǎo)桿，導(dǎo)桿通過螺釘固定在U型座上。夾塊和絲杠中間采用銅塊連接，銅塊和絲杠螺紋連接，銅塊和夾塊采用螺釘連接，增加銅塊的目的是延長其使用壽命。由于該夾爪張合頻率并不高，因此，導(dǎo)桿和夾塊采用小間隙配合。為了抓取不同直徑大小的物體，夾塊設(shè)計(jì)有三角鉗口，鉗口角度為120°。
設(shè)計(jì)了一種電子焊接輔助機(jī)械手臂，該機(jī)械手臂能夠輕松調(diào)節(jié)末端被焊件位置和姿態(tài)，同時(shí)具有一定阻尼，能夠保持位置，滿足焊接動(dòng)作的需求。整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 電子焊接輔助機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)
末端手爪屬于夾持式，兩個(gè)夾塊由雙向絲杠驅(qū)動(dòng)，雙導(dǎo)軌導(dǎo)向并加固，導(dǎo)軌和絲杠的軸心線位于同一平面，操作者通過旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)雙向絲杠，絲杠副和雙導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn)夾塊的開合，并抓取被焊接件。
根據(jù)被焊接件的不同，可以設(shè)計(jì)不同的末端夾爪，通過“快換結(jié)構(gòu)”實(shí)施更換。輔助機(jī)械臂通過底座連接在工作臺(tái)面上，占用空間并不大，幫助操作者很方便地實(shí)施電纜插頭/插座、電路板焊接。為了實(shí)現(xiàn)任意位置保持的功能，整體結(jié)構(gòu)增加的阻尼措施也為其他機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)提供參考。