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摘要：本文介绍了一种基于inventor草图设计的书报码垛机械手的详细设计过程，包括inventor草图的绘制、三维模型的绘制、关键零部件的应力分析、运动部件尺寸驱动等，并结合具体搬运物料的材料特性对书报码垛机械手的细节结构进行了优化设计，该装置的投入使用较好的滿足了现场书报码垛的需要，大大减小了操作人员的劳动力。
关键词：inventor；草图设计；书报码垛机械手
引言：
2016年某公司需要一种适用于整理后纸张码垛的机械手。该机械手用于将整理后的若干纸张的码垛，以利于存储运输作业。在一定时间范围内，不但要将纸张码垛成型，而且要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，提高生产效率。
1.机械手设计要求：
（1）机械手尺寸规格需要满足纸张高度长度等尺寸需求，可将书页从输送机已送至垛上，以利于存储运输作业；
（2）机械手要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，动作连续性强；
（3）应配备相应的安全防护装置，保证设备安全运行及现场作业的安全；
（4）机械手应能代替现有人工操作的所有功能。
2.机械手重量范围和动作形式的确定：
首先应厂家要求，码垛机器人在紧急情况下须有操作人员参与完成码垛动作，所以选用协作型机器人，不会对紧急情况下介入的操作人员造成伤害。
根据现场操作空间需求选定机器人。
根据机器人的有效负载确定机械手和需要码垛纸张的总体重量，经核对选择的机械手臂型号的性能，总体重量重量需控制在10kg之内，码垛的纸张重量约为4kg，综上机械手的重量需要控制在5kg左右为宜。这样机械手需要采用轻量化设计，以满足机器人有效负载的需求。
根据现场纸`张码垛要求及不损伤纸张的特殊性，设计机械手采取单侧摆动手指加压紧气缸的形式。
3.Inventor草图的绘制
绘制inventor草图之前确定纸张的尺寸为长280mm×宽205mm×高180mm
基于Inventor绘制的机械手
⑴在inventor草图环境中绘制一个以原点为中心的矩形及宽205mm×高180mm表示为机械手一次抓取纸张块的大小；
⑵在纸张块左侧绘制机械手手指的形状，选定手指旋转中心，调整手指的轮廓曲线及旋转中心点的位置，直至达到手指的轮廓曲线及运动轨迹与纸张块不干涉为止；
⑶选定机械手手指的驱动装置为气缸驱动；
⑷根据机械手手指的运动轨迹初步选定气缸的作用点位置和转动圆心位置；
⑸根据结构安排，选定气缸拖住纸张块时状态为气缸杆伸出状态，放下纸张块时状态为气缸杆缩回状态；
⑹确定气缸杆伸出时，气缸处于竖直方向，与机械手手指立边平行；
⑺根据需要的机械手手指打开角度选定气缸行程；
⑻圆整气缸旋转轴与机械手手指旋转轴的距离，并确定两者间竖直方向上连接板的厚度，绘制一个主体框架连接板；
⑼初定压紧气缸位置在整体右上角位置；
⑽初步设计防止机械手手指带出纸张的挡板。
1.Inventor三维模型的创建
以上基于inventor绘制的机械手草图绘制完成后，根据草图的形式绘制inventor三维模型。
（1）根据草图绘制纸张块的三维模型；
（2）根据草图绘制机械手手指零件，选择带座轴承，设计旋转轴和旋转轴的连接形式；
（3）根据inventor的草图，计算气缸动作的压力角，结合纸张块的重量计算气缸收缩时的拉力，选定气缸直径，选择气缸的安装形式为尾部耳环形式连接；
（4）根据inventor的草图绘制机械手连接框架，框架绘制完成后发现框架连接板与气缸动作相干涉，更改框架形式为底板与矩形钢管相结合的形式；
（5）在框架与气缸连接座之间添加垫块以保证气缸与框架的连接；
（6）根据纸张块与框架的高度及机械手手指的承载能力，选择压纸气缸形式、缸径及气缸行程；
（7）在框架三维模型上绘制压纸气缸的接口，根据选择机械手臂的接口尺寸，绘制框架与机械手臂的连接法兰；
（8）根据纸张块的重量，气缸的推力，压纸气缸的发作用力对绘制完成的机械手框架进行应力分析，并根据分析结果对框架进行优化设计；
（9）根据inventor的草图绘制防止纸张被带出的挡板；
（10）绘制气缸连接件；
（11）根据纸张块的宽度决定采用两根机械手手指的形式，绘制两根手指间的连接杆；
至此，根据inventor的草图绘制的书报码垛机械手三维模型基本完成，将以上绘制的零部件进行装配，绘制连接件，插入相应标准件。
2.三维模型的优化设计
将绘制完成的三维模型与机械手设计要求中如下4条进行比对：
（1）机械手尺寸规格需要满足纸张高度长度等尺寸需求，可将书页从输送机已送至垛上，以利于存储运输作业；
（2）机械手要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，动作连续性强；
（3）应配备相应的安全防护装置，保证设备安全运行及现场作业的安全；
（4）机械手应能代替现有人工操作的所有功能。
发现次三维模型对“不损伤纸张，动作连续性强”一条尚有所欠缺，于是对模型进行进一步的改造及优化设计。
当气缸杆收回，夹爪手指张开时，机械手手指与纸张的接触部分为下部圆弧处，此处与纸张之间为滑动摩擦，纸张极易由于摩擦引起静电附着在夹爪手指上一并带起，进而引起纸张的损伤。此情况发生时，需要人为的介入，剔除带出的纸张或重新整理纸张块。这样就大大影响了机械手动作的连续性。
解决此问题的关键在于减小纸张与手指间的摩擦力。比较简单减小此处摩擦力的方式为将滑动摩擦改为滚动摩擦，并在机械手适当的位置安装静电消除装置。
具体方案是在机械手手指下方安装滚轮，将金属与纸张的滑动摩擦变为滚动摩擦，在机械手手指的下方打一排滚轮安装孔，并开滚轮安装的沟槽。此时基于inventor草图设计的书报码垛机械手的计过程基本完成，性能基本满足机械手设计要求。下面的工作就是根据具体零件的工艺性及实用性对每个零部件进行优化设计，出工程图。在工程图的绘制过程中难免会产生零部件相互干涉或加工工艺困难等问题，此时则需要根据实际情况对零件进行修改，最终修改完成前还需对运动部件进行驱动，设置气缸为驱动件，以约束气缸行程的尺寸为驱动尺寸对机械手的实际运动轨迹进行最终的核对及检验。
结束语：
最后根据所选的机械手臂，对与机械手臂运动干涉的零部件进行调整，核算机械手和纸张块的整体重量是否在机械手臂的承载能力范围之内。最终完成书报码垛机械手的设计过程。
关键词：inventor；草图设计；书报码垛机械手
引言：
2016年某公司需要一种适用于整理后纸张码垛的机械手。该机械手用于将整理后的若干纸张的码垛，以利于存储运输作业。在一定时间范围内，不但要将纸张码垛成型，而且要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，提高生产效率。
1.机械手设计要求：
（1）机械手尺寸规格需要满足纸张高度长度等尺寸需求，可将书页从输送机已送至垛上，以利于存储运输作业；
（2）机械手要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，动作连续性强；
（3）应配备相应的安全防护装置，保证设备安全运行及现场作业的安全；
（4）机械手应能代替现有人工操作的所有功能。
2.机械手重量范围和动作形式的确定：
首先应厂家要求，码垛机器人在紧急情况下须有操作人员参与完成码垛动作，所以选用协作型机器人，不会对紧急情况下介入的操作人员造成伤害。
根据现场操作空间需求选定机器人。
根据机器人的有效负载确定机械手和需要码垛纸张的总体重量，经核对选择的机械手臂型号的性能，总体重量重量需控制在10kg之内，码垛的纸张重量约为4kg，综上机械手的重量需要控制在5kg左右为宜。这样机械手需要采用轻量化设计，以满足机器人有效负载的需求。
根据现场纸`张码垛要求及不损伤纸张的特殊性，设计机械手采取单侧摆动手指加压紧气缸的形式。
3.Inventor草图的绘制
绘制inventor草图之前确定纸张的尺寸为长280mm×宽205mm×高180mm
基于Inventor绘制的机械手
⑴在inventor草图环境中绘制一个以原点为中心的矩形及宽205mm×高180mm表示为机械手一次抓取纸张块的大小；
⑵在纸张块左侧绘制机械手手指的形状，选定手指旋转中心，调整手指的轮廓曲线及旋转中心点的位置，直至达到手指的轮廓曲线及运动轨迹与纸张块不干涉为止；
⑶选定机械手手指的驱动装置为气缸驱动；
⑷根据机械手手指的运动轨迹初步选定气缸的作用点位置和转动圆心位置；
⑸根据结构安排，选定气缸拖住纸张块时状态为气缸杆伸出状态，放下纸张块时状态为气缸杆缩回状态；
⑹确定气缸杆伸出时，气缸处于竖直方向，与机械手手指立边平行；
⑺根据需要的机械手手指打开角度选定气缸行程；
⑻圆整气缸旋转轴与机械手手指旋转轴的距离，并确定两者间竖直方向上连接板的厚度，绘制一个主体框架连接板；
⑼初定压紧气缸位置在整体右上角位置；
⑽初步设计防止机械手手指带出纸张的挡板。
1.Inventor三维模型的创建
以上基于inventor绘制的机械手草图绘制完成后，根据草图的形式绘制inventor三维模型。
（1）根据草图绘制纸张块的三维模型；
（2）根据草图绘制机械手手指零件，选择带座轴承，设计旋转轴和旋转轴的连接形式；
（3）根据inventor的草图，计算气缸动作的压力角，结合纸张块的重量计算气缸收缩时的拉力，选定气缸直径，选择气缸的安装形式为尾部耳环形式连接；
（4）根据inventor的草图绘制机械手连接框架，框架绘制完成后发现框架连接板与气缸动作相干涉，更改框架形式为底板与矩形钢管相结合的形式；
（5）在框架与气缸连接座之间添加垫块以保证气缸与框架的连接；
（6）根据纸张块与框架的高度及机械手手指的承载能力，选择压纸气缸形式、缸径及气缸行程；
（7）在框架三维模型上绘制压纸气缸的接口，根据选择机械手臂的接口尺寸，绘制框架与机械手臂的连接法兰；
（8）根据纸张块的重量，气缸的推力，压纸气缸的发作用力对绘制完成的机械手框架进行应力分析，并根据分析结果对框架进行优化设计；
（9）根据inventor的草图绘制防止纸张被带出的挡板；
（10）绘制气缸连接件；
（11）根据纸张块的宽度决定采用两根机械手手指的形式，绘制两根手指间的连接杆；
至此，根据inventor的草图绘制的书报码垛机械手三维模型基本完成，将以上绘制的零部件进行装配，绘制连接件，插入相应标准件。
2.三维模型的优化设计
将绘制完成的三维模型与机械手设计要求中如下4条进行比对：
（1）机械手尺寸规格需要满足纸张高度长度等尺寸需求，可将书页从输送机已送至垛上，以利于存储运输作业；
（2）机械手要求运送平稳，拾取快速，不损伤纸张，动作连续性强；
（3）应配备相应的安全防护装置，保证设备安全运行及现场作业的安全；
（4）机械手应能代替现有人工操作的所有功能。
发现次三维模型对“不损伤纸张，动作连续性强”一条尚有所欠缺，于是对模型进行进一步的改造及优化设计。
当气缸杆收回，夹爪手指张开时，机械手手指与纸张的接触部分为下部圆弧处，此处与纸张之间为滑动摩擦，纸张极易由于摩擦引起静电附着在夹爪手指上一并带起，进而引起纸张的损伤。此情况发生时，需要人为的介入，剔除带出的纸张或重新整理纸张块。这样就大大影响了机械手动作的连续性。
解决此问题的关键在于减小纸张与手指间的摩擦力。比较简单减小此处摩擦力的方式为将滑动摩擦改为滚动摩擦，并在机械手适当的位置安装静电消除装置。
具体方案是在机械手手指下方安装滚轮，将金属与纸张的滑动摩擦变为滚动摩擦，在机械手手指的下方打一排滚轮安装孔，并开滚轮安装的沟槽。此时基于inventor草图设计的书报码垛机械手的计过程基本完成，性能基本满足机械手设计要求。下面的工作就是根据具体零件的工艺性及实用性对每个零部件进行优化设计，出工程图。在工程图的绘制过程中难免会产生零部件相互干涉或加工工艺困难等问题，此时则需要根据实际情况对零件进行修改，最终修改完成前还需对运动部件进行驱动，设置气缸为驱动件，以约束气缸行程的尺寸为驱动尺寸对机械手的实际运动轨迹进行最终的核对及检验。
结束语：
最后根据所选的机械手臂，对与机械手臂运动干涉的零部件进行调整，核算机械手和纸张块的整体重量是否在机械手臂的承载能力范围之内。最终完成书报码垛机械手的设计过程。