工业机械手-车灯透镜加工过程中物料转运上下料机械手的设计

郭瑞琴 陈松 黄俊博

摘要 车灯透镜是汽车灯具总成中的重要聚光部件。通过分析传统车灯透镜热压成型加工中上下料过程的弊端，在对成型过程中玻璃棒料进行运动分析的基础上，提出了一种轻型、大行程的上下料机械手。利用卡当机构的特性实现机械手的大行程运动；添加曲柄滑块组合机构，进一步优化机械手的空间尺寸；利用卡当机构构件间相互运动作为组合机构动力源，有效减少驱动数量，改善了机械手的动力学性能；最后，利用虚拟样机对机械手进行运动学仿真，得出了运动轨迹，验证了该设计方案的正确性、优越性。

车灯透镜是汽车大灯总成里的配件，一般在中高档汽车中使用较多，属于车灯中较为重要的部件，扮演着聚光、近远光切换等重要作用，对汽车驾驶者的驾驶体验以及道路交通的安全有着重大的影响。目前，车灯透镜的加工主要通过热压成型，圆柱形玻璃棒料经切割成毛坯后定温加热，然后转移到热压成型机上进行成型加工，再经后续的去毛刺、打磨、抛光等精加工后，成为最终的产品。由于加热后的玻璃棒易变形，且棒料热压成型对棒料的温度要求严格，棒料由加热炉到热压机的输送要求较高。为达到加工要求，当前中小型企业大多采用熟练工人完成棒料的转送。但是，人工作业存在诸多弊端，一方面车灯透镜加工工作区域常年高温，工作环境十分恶劣，有害工人身体健康；另一方面，人工转送效率不高，无法满足市场对车灯透镜日益增长的需求。因此，随着我国汽车行业的迅猛发展，透镜生产过程自动化势在必行。

随着工业机械手快速发展，其在上下料作业中的应用越来越多。当前，在行程较大的上下料机械手设计中，直线模组凭借其结构简单、可靠性高、速度快、精度高等优点，在自动化生产线上有较广泛的应用，文献中分别利用直线模组进行了上料、下料机械手的设计与分析，对生产效率的提高有很大的意义；Du G Y 等利用直线模组设计出一种象棋机械手系统，实现棋子的精确定位与摆放，有较高的实用价值。直线模组固然有其优越性，但其需要较大的安装空间，对于工作空间有限的场景适用性并不高。若想在有限空间中实现大行程运动，使用行程放大机构是不错的选择，徐跃龙利用齿轮齿条机构搭配曲柄连杆机构实现木工加工中进出料系统的行程放大；王晓磊等对2-DOF并联行程放大机构进行结构参数优化并将其用于仿生四足机械手的研制中。任子文等分析了一种新型的基于行星轮系的复杂组合机构并应用于烟草包装机推手中，该结构可以实现 4倍的行程放大。这些行程放大机构相对于直线模组，结构更简单，运动更可靠，占用空间更小，且控制难度更低，对本文中所要设计的机械手有较大启发。

本文中所研究的车灯透镜棒料转运机械手，由于转运距离长，并且是高温工作环境，对机械手提出了更高的要求。在分析车灯透镜成型工艺过程及环境场地布局要求的基础上，针对机械手的特殊设计要求，研究车灯透镜转运机械手的选型、运动设计、参数设计、运动仿真等问题，设计了用于高温工作环境的转运机械手。

1 机械手工作要求

车灯透镜从原材料到成品的加工工艺流程如图1所示，玻璃棒按一定的长度切割成棒料，切割后的玻璃棒料经过高温加热后，转至热压机热压成型，最后通过后期去毛刺、打磨等工序加工完成，本文中所设计的机械手，需要完成图中从加热完毕至压铸成型过程中的棒料转运。

图2所示为机械手工作空间示意图。目前，工作现场中高温棒料的转运是由人工完成的，机械手需要在给定的工作空间内替代工人的工作，即将高温棒料从加热炉上的A处取出送至热压工作台B上。为方便运动参数的描述，以A为坐标原点O，建立坐标系O-xyz。

如图2中所示，棒料由支架A处转运到热压工作台B处，对机械手的运动要求主要有：

（1） x方向运动 XAB。XAB为棒料从加热炉支架上到热压机压膜点的水平距离，XAB=1 600 mm。

（2） z 方向运动 ZAB。由于加热炉支架与热压机工作台的高度差，A 点到 B 点沿 z 轴方向的高度差ZAB=500 mm。

（3） 避免干涉运动 ZA和 ZB。避免干涉的运动主要有两处：一是在A处的取料运动，二是在B处的放料运动。加热炉放料支架A如图3所示，为带有半径R的圆弧凹槽结构，保证棒料在支架上放置稳定。机械手从支架上取出棒料时，需要有沿z轴正方向大于ZM 的移动，保证棒料不与弧形支架发生干涉。在棒料放到热压工作台时，应由工作热压膜上方由上向下放置棒料。

（4） 棒料的翻转运动。由于加工工艺的需要，棒料由 A 处转运到 B 处，棒料需要沿轴线翻转 180°，即棒料母线 M-M 相对棒料中心线 O-O 的位置应满足：在A处OM沿z轴向下，在B处OM沿z轴向上。

转运机械手在满足上述运动要求的同时，应满足长时间在高温环境中工作的要求。

2 机械手运动轨迹规划

根据上述热压球灯机械手在转运棒料时的运动要求可知，机械手要实现的运动是从 A 处抓取玻璃棒转运到B处，在B处放下棒料，且在运动的过程中使玻璃棒沿轴线 O-O 翻转 180°，再由 B 处返回到 A处，形成一个工作循环。机械手在由A处到B处再返回A处的运动循环过程中，只对机械手在A点和B点的位置及附近的运动轨迹提出了要求，其他没有位置和轨迹要求。根据上述机械手工作过程的运动特点，可以按照轨迹规划的方法对机械手的运行进行设计。

按照路径规划进行运动设计时，遵照路径最短原则，机械手在A到B的运动过程中的运动轨迹取直线或近似直线运动，A点附近和B点附近的运动轨迹取圆弧运动，机械手在A、B两点间的往复运动取相同的运动轨迹，最终得到的运动曲线如图4所示。

3 机械手运动实现

3. 1 卡当机构及其特征卡当机构是一种直移放大机构，由行星轮机构衍生而来，加工工艺要求低，具有空间小、行程大、速度快等优点，可以在较短的杆长情况下实现较大的行程，因此常用于行程较大而操作空间较小的机构中。图5所示为卡当机构运动简图。

卡当机构主要包括带轮 A和带轮 B、驱动杆 AB、从动杆 BC 三部分。其中，带轮 A 与带轮 B 的传动比为 1∶2，大带轮 A 与机架固接，从动杆与小带轮 B固接，且BC = AB = l。机构运动时，由杆AB带动带轮 B沿带轮 A的中心作圆周运动，带轮 A与带轮 B之间通过同步齿形带啮合传动，使带轮 B 产生附加的转动，因此，B 点的运动是 AB 杆牵连运动和绕 B 点转动的叠加。与带轮 B 固接的杆 BC 上 C 点的运动轨迹为通过A点的直线mn，且其行程为mn = 4l。

3. 2 机构选型设计

根据转运机械手的运动要求，将机械手运动进行分解，分解成实现图4所示运动轨迹的主运动、棒料抓取运动和180°翻转运动。

3. 2. 1 主运动机构选型

由热压机械手的运动要求可知，该机械手要实现≥1 600 mm 的长距离棒料转运，且不能使用气动、液压等模组机构来实现。由上述对卡当机构的分析可知，卡当机构能够在小空间内实现较远距离的运动，且不受工作环境的限制。由图5所示看出，C点轨迹为直线，若以 C 点作为机械手端部夹持棒料，则无法实现在两极限点的向上抬升与向下放置，于是考虑将BC杆加长为BD，D点的运动轨迹如图6所示。由图6所示可以看出，D点运动轨迹在行程的两个极限点具有圆弧运动，满足了图4所示轨迹要求。

3. 2. 2 棒料抓取机构选型

棒料抓取时，机械手指部分的开合行程较小，可用图 7 所示的常用开合机构实现夹持端的运动要求。通过EF杆的上下移动可控制爪部的开合。

3. 2. 3 机械手主运动综合设计

由于转运机械手要求具有1 600 mm的工作行程，单使用卡当机构可实现，但会造成机械手所需工作面过大的问题。为了解决这一问题，研究在卡当机构上叠加机构的方式缩小机械手在工作过程中的占地空间。采用运载组合机构的原理，在卡当机构的执行构件 BC 上叠加曲柄滑块机构，如图 8所示，达到减小转运机械手工作过程中占地空间的目的。图9所示为组合机构和非组合机构在完成棒料抓取工作时的占地空间对比图。该组合机构具有确定运动，完成工作目标需要考虑 4个自由度，即总体方案图6 中 AB 杆的转动、EF 杆的移动、手指端 180°的翻转和手指的开合运动。

3. 3 转运机械手的驱动设计

由上述分析可知，机械手在工作中共需要4个单自由度的驱动来保证机构进行正确运动。其中，AB杆由固定于机架上的电机驱动，而其余3个自由度的驱动在机械手支撑的远端，驱动的质量对机械手的受力状态具有重要的影响。因此，讨论利用卡当机构的输出运动作为其他机构的驱动以减少驱动元件的使用，能够改善机械手的整体受力状态。

3. 3. 1 卡当机构运动学分析

在卡当机构中，以A点为原点建立坐标系O-xy，如图10所示，设杆长AB = BC = l，AB杆转动的角速度为 ω。对卡当机构进行运动分析，其中，β 为主动杆与从动杆之间的夹角，γ为从动杆与x轴间的夹角。

（1） β、γ 的变化。由同步齿形带传动关系可以得出

β = π - 2α （1）

γ = π - α - β = α （2）

图 11 所示为 β、γ 随 α 的变化关系，可以看出，当主动杆转动180°（α由0°变为180°）时，AB杆与BC杆间的夹角变化了360°（β由180°变为-180°），BC杆 与x轴间的夹角变化了180°（γ由0°变为180°）。可见在卡当机构完成两个端点间的一次完整运动中，点B处的运动副是周转副，即 BC 杆相对于 AB 杆周转，同时杆BC完成180°的翻转。

（2） C点位移与速度。由卡当机构位置关系，可

得C点位移为

s = l cos α + l cos γ

由于γ = α，由此可得

s = 2l cos α = 2l cos ωt （4）

式（4）中，s对时间求导，可以得到C点速度为

3. 3. 2 机械手驱动设计

AB 杆驱动：前文 3. 1 节对卡当机构的分析中，可以确定AB杆的转动由固定在A点的电机驱动。BD 杆驱动：对于 3. 2. 3 小节所述的组合机构，驱动杆 BD 需要相对于杆 BC 进行周转以保证曲柄滑块机构正确运动，而卡当机构中 AB 杆相对于 BC 杆是周转运动，因此，考虑将 BD 杆与 AB 杆固接，利用B点周转副作为曲柄滑块机构的驱动。

手部 180°翻转驱动：卡当机构在 1 个完整的运动过程中，杆BC已经完成了180°的翻转，因此，手部180°的翻转并不需要额外驱动。

EF 杆驱动：由于 EF 杆的运动直接控制手指部的开合，其运动为移动副，且行程很小，因此，考虑在 BC杆上靠近 B点的位置安装电磁铁，手部夹紧棒料通过安装在手部的拉簧实现，电磁铁通电时，克服弹力实现手部张开运动。

上述分析可以看出，利用卡当机构端点C及点B处周转副的特性，可以将机械手运动所需的4个驱动缩减为2个。

3. 4 机械手结构参数确定

加热炉支架至热压机压膜点的距离（即机械手的总行程）为

卡当机构主动杆AB，从动杆BC的长度设计为l = 330 mm

机械手运行到两端点时，杆 BD、杆 EF 共线且与 BC 平行，曲柄滑块机构达到最大行程，E 点到达C点位置，因此，EF的长度：

曲柄 BD 的长度：

连杆 DE 的长度：

4 机械手运动仿真

结合前文所述，我们在 SolidWorks 中建立了机构的三维虚拟样机，如图12所示。

使用 SolidWorks 的 Motion 功能，对所设计机构进行运动学仿真，可以得出棒料在运动过程中的运动轨迹。

图 13 所示为机械手运动时手爪部的轨迹曲线，由于需要避免机械手与加热炉、工作台的干涉，机构运动只取上面半部分，通过电机正反转做往复运动，如图14所示。

在虚拟样机仿真验证的基础上，搭建了实体样机，如图 15所示。该样机运行平稳，达到了预期工作要求，实现了工作目标。

5 结论

在分析车灯透镜加工中玻璃棒料转运工作要求的基础上，提出一种利用卡当机构实现车灯透镜加工过程中自动化上下料的机械手方案。利用卡当机构扩大工作行程的特性，简化机械手结构，减小机械手空间占用；通过叠加组合机构的形式，进一步优化机械手的占地空间，并合理利用卡当机构中构件的输出运动作为组合机构的驱动，减少驱动数量，有效地减少了机械手的驱动力矩。利用三维建模软件，建立机械手样机，对机械手方案进行运动仿真分析，验证了方案的可行性。目前，利用该机械手设计方案制作的实体样机运行良好，满足了车灯透镜热压加工的工作要求。

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