【制造行业干货】上料机构的设计方法

提到设计，我们可能会想到“创新”“专利”“技术含量”等关键词。事实上，非标设备的机构设计更多地要突出“非标”“应用”“速成”“成熟”这些特点(需要设计人员牢牢记住)。例如上料机构的设计流程可分为两种情况：

情况一，从未做过类似机构，也找不到可借鉴资源，那么构思一般是从执行机构开始，分析运动，确定导引方式和动力，如下图所示。一开始绘制的机构不用太细节化(粗糙点都可以)，等这些核心内容有谱后，再边检讨核对边调整修正(主要是空间占据、工件尺寸、机构位置等)，直到机构最终完成。

情况二，做过类似或相同的机构，或者已有现成案例(别人做过)，一般就直接跳过构思的部分。对于工况简单或要求重合度高的场合，大概判断一下，改一改执行机构就差不多了；对于工况和要求较为严苛的场合，则需要进行必要的分析校核与调整确认。

当然，无论是哪种情况，从学习的角度，还是要了解一些设计的基本原则、方法和技巧。下面针对流程的一些重点步骤着重介绍一下。

一、执行机构(也叫作工作端)
在特定产品、工艺、品质等约束要求下，几乎每次都要重新设计执行机构，所以需要非常熟练。电子行业的上料机构，常用的执行机构有夹爪和吸嘴两种方式，二者各有特点，什么时候适合夹爪，什么时候适合吸嘴，设计人员需要心里有数，夹爪和吸嘴的适用场合见下表。
1. 夹爪。只要设计出定位零件，然后安装到气动手指(简称气指)气缸上，就构成了一个具有夹持功能的夹爪。夹爪设计的核心内容是：定位精度及夹持能力。在夹爪的设计过程中还要注意一些细节设计，例如，是不是抓在产品定位效果较好的部位；是不是有足够的夹持力并且不会伤害到产品；是不是在搬运或装配过程中有防呆措施等。①根据不同的产品，需要选用不同的夹持气缸及夹爪。常用的有气动、电动、非标三种方式，一般普通物件的夹取常采用气动夹爪，其应用普遍，但容易夹伤产品。易破碎、易变形工件的夹取常用电动夹爪，其夹持力可控，但成本较高。工况特殊的场合则需要根据要求定制非标夹爪。
夹爪有很多类型，除了有两爪的，还有三爪、四爪等，各有特点，可依据定位效果来设计。例如：圆柱、圆环形零件用三点夹持(三爪夹爪)更合理；如安装矩形密封圈(安装前四个边需要张开)可用四爪夹爪来实现。
②应夹持产品厚实或强度较高的部位，定位要平衡稳固(以防抖动或脱落)。③由于夹爪机构运动频率较高，通常都会设计得比较细薄、小巧，需注意薄弱位置强度是否足够，以及更换的便利性。④产品比较小或比较长的情况，要考虑抓取前先进行导向、定位或校正。⑤某些情况，标准的夹爪是用不了的，例如空间非常小的情形，这时就要考虑自己设计夹爪机构，但要确保机构有足够的精度和强度。⑥夹爪没有人手那么灵活，为了避免伤及产品，要注意一些细节，例如某些场合要用聚四氟乙烯(一种白色工程塑料，俗称铁氟龙)。⑦某些场合的夹爪定位零件表面(和产品接触的部位)要开设纵横交错的浅槽或纹路防滑。

2. 吸嘴。如果遇到一些产品怕刮伤或薄弱以致夹持不了的情形，则采用真空吸嘴作为执行机构。吸嘴有两种，大多数情况采用标准的胶质吸嘴或海绵吸嘴(适用包装箱之类的吸附)，如下图所示；产品表面不规则或者有特殊要求(如作业空间很狭小)的场合，则可能需要自制非标的仿形吸嘴(吸附孔根据产品形状来定，圆孔、长条孔均可)。需要注意以下几个方面：
①吸嘴触碰产品的过程需要有缓冲(弹簧)。
②吸嘴是有力量范围的，选型要留意是否足够(取决于真空度和吸嘴面积)。另外如出现吸附失效的情形，要有真空报警装置，吸附动作也是有响应时间的，在评估cycle time时要考虑进去。③如果吸附的面积较大，可增加吸嘴(孔)，如果是自制的非标吸嘴，最好拆分成若干吸附点(块)，以防接触面不平而失效。总而言之，无论采用夹爪，还是吸嘴，根据不同工况，执行机构的设计是灵活多样的，也比较考验解决问题的能力，所以平时要多思考和总结。

二、运动方案
上料机构的功能是把物料从供料系统又快又稳地搬运到另一个位置，这就涉及运动方面的内容。参数包括位移(S)、时间(T)、速度(v)、加速度(a)等，其中最常见也最简单的是“停止-运动-停止”运动，从静止到运动或从运动到静止，由加减速和匀速等运动组合而成。
下面对这几个参数简单介绍一下：(1)行程S。在不重要的场合，根据设备空间来定，以布局协调为原则，大一点小一点都可以；但对作业时间有要求时，就要尽量往小定，尤其是一些高速设备，行程缩短1mm，都有它的意义。(2)时间T。例如要设计一个上料机构，把物料从A点移动到B点，手头刚好有个现成的机构(原来的作业时间是2s)，现在客户要求做到1s，能不能直接拿来就用呢？能，依据在哪里，不能，原因又是什么，设计人员不能心存侥幸或敷衍了事。(3)速度v。通常希望作业速度越快越好，但一方面受限于机构的性能，另一方面取决于产品工艺，同时还受限于控制需要和其他因素的影响，往往会有一个瓶颈。所以实际的做法是，在行程确定的情况下，根据作业时间来设计满足要求的机构。(4)加速度a。表示单位时间内的速度变化量，是运动和外力(F)联系的桥梁。

三、导引方式  
不管机构多么复杂，都希望运动的轨迹简单直接，因此绝大部分采用线性导引方式。同样是线性导引，具体的实现方式有很多种，最常见的是采用线性导轨；如果行程较小且负载能力要求高，可采用非标的滑槽滑块方式；如果要节省空间，亦可直接采用带导引功能的气缸(滑台气缸或导杆气缸)或电动线性模组等。
就导引方式的设计而言，在保证设计指标的前提下，几乎是自由发挥的(没有设计标准)。当然，再怎么天马行空，也需要有一种优劣等级的观念指引我们应该这样或那样来做具体的设计。如下图所示的设计，水平方向的跨度较长，采用线性导轨作为导引方式，动力是笔形气缸；竖直方向，其实也可以采用类似方式，但这里直接采用了滑台气缸(兼具导引和动力作用)，空间跨度显得比较节省，这就反映了设计人员的设计观念。设计观念往往是初学者比较欠缺的，最好能多向前辈请教，如不重视学习和提升，技术水平的提高会受到制约。

四、动力选择
根据动力类型，非标设备大致可以分为气动、电动两种类型(也有液压类型设备，但用得较少)，根据实际需要，也可能会气、电混搭，但总体而言，气动设备在制造行业应用最广(占比可能在80％以上)。气动设备采用气缸或真空元件作为动力源，其特点是工艺动作单一，机构相对简单，设计比较容易上手，几乎不需要机械方面的理论支撑。电动设备采用电动机作为动力，也被大量应用。多被用于高速、复杂、品质要求高的工艺动作，机构相对复杂，设计时需要熟悉基本的机械理论乃至分析计算，常与气动机构混搭使用。
对应到具体的机构，由于机构性能和要求的差异性，动力选型的方法和难度也有所不同。例如一个普通气动上料机构的动力选型，由于实现的工艺动作都比较单一，只需确保起始和终止位置即可，因此除了需要大致确认一下空间、行程、缸径(负载能力)及动作时间，基本上不需要什么计算分析。因为气动本身就不是一个稳定的动力类型，即便有精确的计算，也经常出现实际和理想有很大偏差的情形，所以更多依赖于经验判断。现在企业倾向于发展“简单、速成”的气动相关设备，即便设计人员并不精通多广多深的机械理论，也可以有一些成长和发挥的空间。但如果据此认为非标机构设计易上手，那就是一个误区了。从事这个行业，做个三五年设计的，可以说已经入门上手了，但还没有一个敢说自己已经什么都会了，因为技术或设计难度往往不在机构层面。

五、核对调整   
如果设计的是一个要求较高的机构，则可能需要做一些分析和核对的工作，尤其是在负载能力、精度、速度等方面，如何确保，依据什么等，都须做到心里有数，言之有据。如下图所示，假设要设计一个机构，固定座从A点移动到B点，当有速度和精度(尺寸公差)要求时，除非已经有成功案例或对性能了如指掌，否则就需要简单地评估一下导引方式(线性导轨)和动力(电动机＋丝杠)是否能满足要求。机构本身不是很复杂，但是初学者如果拿来就用，不求甚解，在某些情况下就会出问题。例如为了降低成本，将伺服电机换成步进电机了，结果发现机构的运行周期达不到原来的要求(步进电机一般工作在数百转/min，而伺服电机则可以达到几千转/min)，最后搞得手忙脚乱，这其实是可以避免的。