譚敢闖，馮曉鵬，劉方方，張世欣

（1.河南明華智能系統(tǒng)研究院有限公司，河南鄭州 450000；2.河南省超硬材料智能制造裝備集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 451191）

0 引言

臘石用于金剛石合成過程，作為密封、保溫和傳壓介質(zhì)[1-3]。對(duì)葉臘石進(jìn)行微波爐烘烤后，目前需要人工逐步地將葉臘石碼垛，每行與每列都要整齊地?cái)[放在托盤中。由于托盤外形較大，人工碼垛費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也不夠整齊。碼垛機(jī)器人是機(jī)械與計(jì)算機(jī)程序有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，提高了生產(chǎn)效率，在碼垛行業(yè)有著廣泛應(yīng)用[4-5]。碼垛機(jī)器人大大節(jié)省了勞動(dòng)力和空間。碼垛機(jī)器人運(yùn)作靈活精準(zhǔn)、快速高效，穩(wěn)定性和作業(yè)效率高。

機(jī)器人末端執(zhí)行器是指任何一個(gè)連接在機(jī)器人邊緣（關(guān)節(jié)）具有一定功能的工具[6]。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對(duì)葉臘石的高效準(zhǔn)確碼垛，還需要開發(fā)專用的末端執(zhí)行器。

1 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器包括三軸行架。三軸行架能夠在三維方向上運(yùn)動(dòng)，三軸行架上連接有抓手。抓手包括抓手本體，本體上配合連接有壓爪。壓爪的相對(duì)側(cè)面上設(shè)置有側(cè)固定板，壓爪與側(cè)固定板之間的距離可調(diào)。抓手本體的前方設(shè)置有整形板，整形板由整形動(dòng)力氣缸驅(qū)動(dòng)，待抓取物料由整形板整形后，被夾持在壓爪與側(cè)固定板之間，如圖1 所示。三軸行架包括X 軸行架、Y 軸行架和Z 軸行架。Y 軸行架固定在框架結(jié)構(gòu)上，X 軸行架垂直固定在兩根平行的Y 軸行架上，Z 軸行架垂直固定在X 軸行架上。抓手固定連接在Z 軸行架上，X 軸行架與Y 軸行架之間、X 軸行架和Z 軸行架之間均通過滑軌滑塊配合，如圖2 所示。

圖1 抓手

圖2 三軸行架

三軸行架在Y 軸方向上的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)Ⅰ驅(qū)動(dòng)，為X 軸行架在Y 軸行架上的運(yùn)動(dòng)，電機(jī)Ⅰ連接在X 軸行架上。三軸行架在X 軸方向上的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)，為Z 軸行架在X 軸行架上的運(yùn)動(dòng)。三軸行架在Z 軸方向上的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)Ⅲ驅(qū)動(dòng)，為Z 軸行架在豎直方向的移動(dòng)。電機(jī)Ⅱ和電機(jī)Ⅲ均連接在X軸行架上。

抓手通過連接板與三軸行架固定連接在一起。連接板固定在抓手本體上，抓手本體固定連接有導(dǎo)軌，壓爪通過滑塊配合在導(dǎo)軌上。壓爪由壓爪氣缸驅(qū)動(dòng)，壓爪和側(cè)固定板之間設(shè)置有上固定板，上固定板固定在抓手本體上。并排設(shè)置有5個(gè)壓爪氣缸，每個(gè)壓爪氣缸上均連接著1 個(gè)壓爪。抓手下方設(shè)置有微波爐設(shè)備，微波爐設(shè)備固定有擋板，擋板與抓手的整形板配合，待抓取物料由整形板和擋板整形后，被夾持在壓爪與側(cè)固定板之間。

微波爐設(shè)備后方設(shè)置有托盤支架，托盤支架設(shè)有托盤，抓手從微波爐設(shè)備夾持待抓取物料移送到托盤上。

2 碼垛的實(shí)施

多功能葉臘石末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。由于Z 軸行架垂直固定在X 軸行架上，X 軸行架移動(dòng)時(shí)會(huì)帶著Z 軸行架一起移動(dòng)。抓手固定連接在Z 軸行架，Z 軸行架在豎直方向上的移動(dòng)改變抓手在豎直方向上的高低位置。3 個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)3 個(gè)方向上的行架來改變抓手的空間位置，實(shí)現(xiàn)抓手的抓取及碼放。并排設(shè)置有5 個(gè)壓爪氣缸，每排之間零件有可能大小不一，因此一個(gè)壓爪由一個(gè)壓爪氣缸驅(qū)動(dòng)。壓爪氣缸驅(qū)動(dòng)壓爪沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，從而改變壓爪與側(cè)固定板之間的距離。

圖3 多功能葉臘石末端執(zhí)行器

當(dāng)微波爐設(shè)備上烘烤好的葉臘石走到擋板處后停止，通過三軸行架將抓手移動(dòng)到葉臘石上方，整形動(dòng)力氣缸和整形板對(duì)葉臘石來料方向進(jìn)行整形，通過整形板與擋板將葉臘石在前后兩個(gè)方向上整理整齊，壓爪氣缸與壓爪對(duì)葉臘石來料的垂直方向整形及固定，即對(duì)葉臘石在左右兩個(gè)方向上整形。整形后抓手抓取葉臘石，通過三軸行架帶動(dòng)抓手移動(dòng)，將葉臘石碼放到托盤中，然后逐續(xù)擺放。

3 本研究對(duì)行業(yè)的啟示

超硬材料被稱為“工業(yè)牙齒”“終極半導(dǎo)體”“材料之王”，是現(xiàn)代工業(yè)高端發(fā)展不可替代的高檔工具之一，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有百倍以上的杠桿撬動(dòng)作用。世界的超硬材料看中國，中國已經(jīng)形成巨大的超硬材料產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢。但是，“大而不強(qiáng)”的問題日益突出。目前人造金剛石生產(chǎn)過程中，大量依靠人工操作生產(chǎn)設(shè)備、調(diào)整工藝參數(shù)，這是導(dǎo)致金剛石質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素。尤其隨著壓機(jī)的大型化，人工操作設(shè)備已經(jīng)越來越不現(xiàn)實(shí)，當(dāng)前的裝備技術(shù)和生產(chǎn)工藝已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，急需轉(zhuǎn)型升級(jí)。例如，采用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作設(shè)備，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化等。本文介紹用于工業(yè)機(jī)器人碼垛的多功能葉臘石碼垛執(zhí)行器的開發(fā)，有利于工業(yè)機(jī)器人代替人工操作設(shè)備。從整個(gè)人造金剛石行業(yè)來看，轉(zhuǎn)型升級(jí)可在以下3個(gè)方向進(jìn)行。

（1）研發(fā)石墨柱智能生產(chǎn)。開發(fā)自動(dòng)壓制單元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送粉、自動(dòng)稱重、自動(dòng)壓制、自動(dòng)測高、自動(dòng)稱重、自動(dòng)打標(biāo)、自動(dòng)碼盤等系列功能。

（2）研發(fā)人造金剛石合成車間智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。研發(fā)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度合成自動(dòng)控制、自動(dòng)放合成塊、自動(dòng)取合成塊、自動(dòng)清理頂錘技術(shù)。研發(fā)高精度頂壓機(jī)控制系統(tǒng)，提高合成質(zhì)量及效率。研發(fā)合成塊自動(dòng)保溫轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、行架機(jī)械手取放合成塊系統(tǒng)、數(shù)字化增壓系統(tǒng)、工藝優(yōu)化控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)金剛石合成自動(dòng)化、智能化，解決壓機(jī)大型化人工操作困難等問題，降低頂錘消耗。

（3）研發(fā)合成工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)。引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，在金剛石合成過程中實(shí)時(shí)高效采集功率、溫度、壓力、位移、電阻率、外阻值等各種工藝及設(shè)備信息，與金剛石產(chǎn)品的性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)對(duì)比分析，構(gòu)建金剛石合成大數(shù)據(jù)。研發(fā)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘及分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)合成工藝自動(dòng)分析、存儲(chǔ)及優(yōu)化，達(dá)到提高金剛石產(chǎn)能及品質(zhì)的目標(biāo)。

4 總結(jié)

通過壓爪氣缸以及整形動(dòng)力氣缸的夾取動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)來料的多排列抓取，從而快速對(duì)來料碼垛，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效益。最后，展望人造金剛石行業(yè)智能化改造的3 個(gè)研發(fā)方向及目標(biāo)。

本研究受到鄭州市重大科技創(chuàng)新專項(xiàng)“人造金剛石智能制造工藝與裝備研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目資助。