摘要：電(dian)(dian)子(zi)焊接(jie)生(sheng)產中有較多(duo)兩人(ren)合作(zuo)才能(neng)(neng)完(wan)成的情(qing)況，比(bi)如插(cha)頭(tou)/插(cha)座焊接(jie)，需要(yao)一(yi)人(ren)拿(na)著(zhu)插(cha)頭(tou)/插(cha)座，另外一(yi)人(ren)拿(na)著(zhu)電(dian)(dian)線完(wan)成焊接(jie)。電(dian)(dian)路板(ban)焊接(jie)也經(jing)常出現翻轉、移動等(deng)操(cao)(cao)作(zuo)以求得到較好工(gong)作(zuo)位置(zhi)的情(qing)形。因此(ci)，設計一(yi)種電(dian)(dian)子(zi)焊接(jie)生(sheng)產輔助機械手臂(bei)以及末端夾(jia)具(ju)，能(neng)(neng)夠夾(jia)持被焊接(jie)件，其末端位置(zhi)、姿態能(neng)(neng)夠被操(cao)(cao)作(zuo)者輕松(song)變動，同時該位置(zhi)能(neng)(neng)夠很好保(bao)持，具(ju)有一(yi)定阻尼，滿足操(cao)(cao)作(zuo)者焊接(jie)需求。
在電(dian)子焊(han)(han)接(jie)(jie)小批量生產過(guo)程(cheng)(cheng)中，某些工藝需(xu)兩(liang)人配合才能完(wan)成，比如插(cha)(cha)頭(tou)/插(cha)(cha)座焊(han)(han)接(jie)(jie)。操作(zuo)者(zhe)A拿(na)著(zhu)插(cha)(cha)頭(tou)/插(cha)(cha)座，操作(zuo)者(zhe)B拿(na)著(zhu)焊(han)(han)槍和(he)電(dian)纜線完(wan)成焊(han)(han)接(jie)(jie)。操作(zuo)者(zhe)A根據(ju)焊(han)(han)接(jie)(jie)位置(zhi)變換和(he)操作(zuo)者(zhe)B的(de)要求(qiu)改變方(fang)位。另外，在電(dian)路板(ban)焊(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)中，電(dian)路板(ban)需(xu)要經常翻轉或者(zhe)變換一(yi)定(ding)姿態(tai)以方(fang)便操作(zuo)者(zhe)完(wan)成焊(han)(han)接(jie)(jie)動作(zuo)。現在普遍采(cai)用(yong)電(dian)子焊(han)(han)接(jie)(jie)輔助工作(zuo)臺，如圖1所示，用(yong)兩(liang)個夾子將電(dian)路板(ban)固定(ding)，但其(qi)翻轉角度(du)和(he)位置(zhi)有(you)限。
設計一(yi)種電子焊(han)(han)(han)接輔(fu)助機(ji)(ji)械手臂(bei)，具備的(de)主要(yao)功能是其末端能夠(gou)很好地(di)夾(jia)持住(zhu)插頭(tou)、插座、電路板(ban)等。操(cao)作者能夠(gou)很方便地(di)改變其位置、姿態。同(tong)時，整(zheng)個機(ji)(ji)械臂(bei)具有一(yi)定可調校(xiao)的(de)阻尼，這樣在焊(han)(han)(han)接操(cao)作過程中，被焊(han)(han)(han)接件不會(hui)輕易(yi)移動(dong)或者是轉動(dong)。
圖1 電子焊接輔助工(gong)作臺
整個設計過程參考了(le)現在比較普(pu)遍的電腦(nao)顯示(shi)器支架相關結構(gou)。主(zhu)體(ti)機械(xie)臂(bei)(bei)具有5個自由(you)度，能夠滿足末(mo)端(duan)夾持(chi)機構(gou)的上下(xia)、左右移動以及翻轉。末(mo)端(duan)夾持(chi)件會經常變換(huan)，因此，在機械(xie)臂(bei)(bei)末(mo)端(duan)設計一個可以快(kuai)速(su)更換(huan)結構(gou)。
如圖2所示，該機械臂包含5個自由度，第一關節、第二關節為兩個平行的轉動關節，實現整個機械臂在水平面的大范圍調整。第三關節為平行四邊形機構的轉動關節，相當于人手臂的肘關節，可調節末端夾具的位置。平行四邊形關節的優點是可增加結構的剛度，減小變形，提高機械臂的運動精度。當只有第三關節運動的時候，末端夾具只做平移運動，可以保持其姿態不變[1]。第(di)四關節做水(shui)平面擺(bai)動，第(di)五關節做上下擺(bai)動。該機械臂(bei)可保證末(mo)端夾具被移動到需要的(de)位置，并(bing)調整至需要的(de)姿態。
1.底座 2.第一關(guan)節(jie) 3.第二關(guan)節(jie) 4.第三(san)(san)關(guan)節(jie)上支(zhi)臂 5.第四關(guan)節(jie)6.第五關(guan)節(jie) 7.第三(san)(san)關(guan)節(jie)下(xia)支(zhi)臂 8.氣彈(dan)簧
圖(tu)2 機械臂主體(ti)結構
電子焊接(jie)輔助機械臂(bei)另外一個重要(yao)的(de)功能是在(zai)末(mo)端夾(jia)具調整至需要(yao)的(de)位置和姿(zi)態后，能夠自保持(chi)，具有一定阻尼(ni)。這樣，操作者在(zai)完成焊接(jie)動作的(de)時(shi)候(hou)，整個機械臂(bei)不會晃動。
工業機器人控制系統通常是以單軸或多軸機器人的運動協調控制為目的。其每一個關節都有一個伺服機構，多個獨立的伺服系統組成一個多變量的控制系統[2]。這(zhe)樣(yang)便能(neng)實(shi)現機(ji)械(xie)臂末端(duan)位(wei)置(zhi)控制與保持。但是電子(zi)焊(han)接生產輔助機(ji)械(xie)臂一般需(xu)要(yao)固定在(zai)焊(han)接工作(zuo)臺(tai)上，占(zhan)用空間必須小，操作(zuo)方便。因(yin)此，位(wei)置(zhi)保持功(gong)能(neng)采(cai)用機(ji)械(xie)結構(gou)(gou)實(shi)現，主要(yao)思(si)路便是在(zai)各個關節增加(jia)阻(zu)尼(ni)機(ji)構(gou)(gou)，關節轉(zhuan)動的(de)時候需(xu)要(yao)一定的(de)外(wai)力，操作(zuo)者焊(han)接過程所施(shi)加(jia)的(de)力不足(zu)以讓(rang)機(ji)械(xie)臂各關節產生運動。
第一、第二、第四、第五(wu)關節采用(yong)塑料套筒/墊片＋緊定螺栓方式(shi)。
舉例說明，如圖(tu)3所示，第三關(guan)節(jie)(jie)、第四(si)(si)關(guan)節(jie)(jie)采用螺栓(shuan)連(lian)接，但是(shi)在第四(si)(si)關(guan)節(jie)(jie)上下面分別開了一(yi)(yi)定深度(du)的(de)沉孔。剛(gang)好可(ke)以(yi)放入一(yi)(yi)個(ge)墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)，該墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)采用塑(su)料制(zhi)作，具(ju)有一(yi)(yi)定柔軟度(du)。塑(su)料墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)可(ke)以(yi)增加(jia)兩個(ge)關(guan)節(jie)(jie)之間(jian)的(de)摩擦，通過調整螺栓(shuan)松(song)緊度(du)來調節(jie)(jie)關(guan)節(jie)(jie)之間(jian)的(de)阻(zu)尼大(da)小(xiao)。
1.第三關節 2.螺(luo)栓 3.塑料墊片 4.第四關節 5.螺(luo)母
圖(tu)3 采用(yong)塑料套筒/墊片＋緊定(ding)螺栓連接關(guan)節(jie)
第三關節主要作用是調整機械臂的高度，同時也要具備保持位置的功能，即類似轎車后備箱“隨意停”功能，采用氣彈簧實現。氣彈簧又被稱為支撐桿、調角器、氣壓棒或阻尼器，是一種具有支撐、緩沖、制動、高度調節和角度調節等功能的配件。該配件在醫療設備、汽車、家具、紡織設備、加工行業等領域被廣泛使用。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]。
該設計在第三關節上支臂和下支臂之間設置自平衡式氣彈簧。自平衡式氣彈簧在活塞桿受壓達一定值時可打開氣閥，活塞在缸筒自由運動，當活塞兩端壓力平衡時通過彈簧力使氣閥自動關閉，活塞停留，達到自平衡。上支臂、下支臂、連接頭構成轉動的四連桿機構，調節機械臂高度位置時，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(ji)械臂本體可以實(shi)現(xian)位置、姿(zi)態調(diao)節功能(neng)，而末端手爪便是夾持需(xu)要(yao)操作的零/部件。
本文以電纜插頭/插座夾持手爪為例。設計手爪機構時應該考慮以下幾個方面的因素：①應該有適中的夾緊力，既能準確抓取，又能保證物品不損壞；②兩手指之間應該有足夠的移動范圍，張開的時候能夠滿足最大物品的直徑值；③應該有一定的強度和剛度；④適應不同尺寸，具有抓取自適應性，并保證抓取物品時自動對心；⑤結構緊湊，質量小[5]。
機械臂(bei)本體具有(you)5個(ge)自由度，為了更加(jia)方便地實現末端(duan)手(shou)(shou)爪姿(zi)態調節(jie)，需(xu)要加(jia)上一個(ge)轉動關節(jie)，類似人手(shou)(shou)的腕關節(jie)，末端(duan)手(shou)(shou)指的開合由人手(shou)(shou)調節(jie)。由于需(xu)要夾持的有(you)電纜(lan)插頭/插座，也有(you)比較寬大(da)的電路板，因(yin)此，手(shou)(shou)爪根部需(xu)要設計一個(ge)能夠更換夾頭的結構。
中國農業大學趙延軍[6]在(zai)蘋果果袋摘(zhai)除機(ji)(ji)械手(shou)爪研究中采用絲(si)杠和滑塊為主(zhu)要運動(dong)部件(jian)，絲(si)杠左(zuo)右兩側分(fen)別為左(zuo)旋和右旋，旋向不同。這樣，當電機(ji)(ji)運動(dong)的時候，可以驅動(dong)左(zuo)右兩個分(fen)離機(ji)(ji)構同時靠(kao)攏或者分(fen)開(kai)，達到夾(jia)緊/松開(kai)的目的。該機(ji)(ji)械手(shou)爪對本文具(ju)有借鑒意義(yi)。
如圖4所示，末端(duan)手(shou)爪包(bao)含(han)底(di)座、快換(huan)接頭(tou)(tou)(tou)(tou)、U型座、雙(shuang)向絲杠、頂蓋、調(diao)節(jie)(jie)旋(xuan)鈕、導桿、軸(zhou)承、夾(jia)塊等組成。底(di)座采(cai)(cai)用(yong)鋼材料制成，其主要目的(de)(de)(de)是(shi)配重，因為(wei)前端(duan)第三關(guan)節(jie)(jie)采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)(de)自平(ping)衡式氣(qi)(qi)彈(dan)簧，需要一定的(de)(de)(de)載重才能(neng)實現“任意(yi)位置停留”的(de)(de)(de)功能(neng)。底(di)座和(he)末端(duan)夾(jia)爪之間借用(yong)常見(jian)結構的(de)(de)(de)“自鎖快換(huan)氣(qi)(qi)動接頭(tou)(tou)(tou)(tou)”，如圖5所示，在公頭(tou)(tou)(tou)(tou)和(he)母頭(tou)(tou)(tou)(tou)連(lian)接之間加(jia)上塑料墊(dian)片(pian)，目的(de)(de)(de)是(shi)加(jia)大(da)兩者(zhe)相(xiang)對轉(zhuan)動的(de)(de)(de)阻尼。該(gai)結構在實現“快速更換(huan)”功能(neng)的(de)(de)(de)同(tong)時，還可以為(wei)機械手(shou)爪增(zeng)加(jia)一個旋(xuan)轉(zhuan)自由(you)度。底(di)座和(he)快換(huan)接頭(tou)(tou)(tou)(tou)之間、快換(huan)接頭(tou)(tou)(tou)(tou)和(he)U型坐之間均采(cai)(cai)用(yong)螺紋(wen)連(lian)接。
快換接(jie)(jie)頭兩(liang)端(duan)外(wai)面均是(shi)六角頭形式(shi)，在底座(zuo)上表面和U型(xing)座(zuo)下表面都與之對應開有(you)六角凹(ao)槽，快換接(jie)(jie)頭兩(liang)端(duan)都陷進(jin)底座(zuo)、U型(xing)座(zuo)2 mm，這樣末(mo)端(duan)夾爪轉動時(shi)不會帶動連接(jie)(jie)螺釘(ding)轉動。
1.底座 2.快換接頭 3.U型座 4.雙向絲杠(gang) 5.夾塊(kuai)(kuai) 6.導桿 7.螺(luo)釘(ding) 8.銅塊(kuai)(kuai) 9.旋鈕 10.頂蓋 11.螺(luo)釘(ding)
圖4 用于夾(jia)持電纜插座/插頭的機械手爪(zhua)
圖5 添加塑料墊片(pian)的快換夾頭
U型座和夾塊采用鋁制成，導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。按螺紋副摩擦性質的不同，絲杠分為滑動絲杠、滾動絲杠和靜壓絲杠三種，本文選滑動絲杠[7]。雙向絲杠(gang)為(wei)階梯軸，兩邊階梯用(yong)于(yu)(yu)頂住軸承內圈。右邊延(yan)伸一(yi)定長度用(yong)于(yu)(yu)安(an)裝旋鈕。上端孔用(yong)于(yu)(yu)安(an)裝導桿，導桿通過螺(luo)釘固定在U型座(zuo)上。夾(jia)(jia)塊(kuai)(kuai)和(he)(he)絲杠(gang)中(zhong)間(jian)采用(yong)銅(tong)塊(kuai)(kuai)連接(jie)，銅(tong)塊(kuai)(kuai)和(he)(he)絲杠(gang)螺(luo)紋連接(jie)，銅(tong)塊(kuai)(kuai)和(he)(he)夾(jia)(jia)塊(kuai)(kuai)采用(yong)螺(luo)釘連接(jie)，增(zeng)加(jia)銅(tong)塊(kuai)(kuai)的(de)目的(de)是延(yan)長其使用(yong)壽命。由于(yu)(yu)該夾(jia)(jia)爪張合頻率(lv)并不(bu)高(gao)，因此，導桿和(he)(he)夾(jia)(jia)塊(kuai)(kuai)采用(yong)小間(jian)隙配合。為(wei)了抓取不(bu)同直徑大小的(de)物體，夾(jia)(jia)塊(kuai)(kuai)設計有三角(jiao)鉗口，鉗口角(jiao)度為(wei)120°。
設計了一種電子焊(han)(han)接(jie)輔助機械(xie)手臂，該機械(xie)手臂能夠(gou)輕松調節末端被焊(han)(han)件位置和姿態，同時具(ju)有(you)一定阻尼，能夠(gou)保持位置，滿足(zu)焊(han)(han)接(jie)動作的需求。整體(ti)結構如圖6所示。
圖6 電子焊接輔助機械臂整體結構
末(mo)端(duan)手(shou)爪屬于(yu)夾持式(shi)，兩個夾塊(kuai)由(you)雙(shuang)(shuang)向(xiang)(xiang)絲杠驅動，雙(shuang)(shuang)導(dao)(dao)軌(gui)(gui)導(dao)(dao)向(xiang)(xiang)并加固，導(dao)(dao)軌(gui)(gui)和絲杠的(de)(de)軸心線位于(yu)同一(yi)平面，操作者通過旋鈕轉動雙(shuang)(shuang)向(xiang)(xiang)絲杠，絲杠副(fu)和雙(shuang)(shuang)導(dao)(dao)軌(gui)(gui)的(de)(de)導(dao)(dao)向(xiang)(xiang)作用將(jiang)轉動變為平動，實現夾塊(kuai)的(de)(de)開合(he)，并抓取被焊(han)接件。
根據被焊接件的(de)(de)(de)不(bu)同，可以設計(ji)不(bu)同的(de)(de)(de)末端夾(jia)爪，通(tong)過(guo)“快換結(jie)構”實(shi)施更換。輔助機(ji)械臂通(tong)過(guo)底座(zuo)連(lian)接在(zai)工作(zuo)臺面(mian)上，占用(yong)空間并不(bu)大，幫助操(cao)作(zuo)者很方便地實(shi)施電纜插頭/插座(zuo)、電路(lu)板(ban)焊接。為了(le)實(shi)現任意位置(zhi)保持的(de)(de)(de)功能，整(zheng)體結(jie)構增(zeng)加的(de)(de)(de)阻尼(ni)措施也為其他機(ji)械手臂的(de)(de)(de)設計(ji)提(ti)供參考。