基于机器人的气动打钉枪开关组件设计

第33卷第6期2017年11月

齐齐哈尔大学学报（自然科学版）

Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)

Vol.33,No.6

Nov.,2017

基于机器人的气动打钉枪开关组件设计

朱行飞，陆华才

(安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000)

摘要:为了让机器人在木质托盘行业得到更广泛的应用，减少长时间使用打钉枪因其震动和噪音对工人身体的危 害，提高木制托盘的生产质量及速度，根据气动打钉枪的结构原理，设计了一种针对机器人使用的气动扣枪方式，并在实际生产应用中验证了设计的可行性。

关键词：机器人；木质托盘行业；打钉枪；气动扣枪方式

中图分类号：TS914.5 文献标志码：A文章编号：1007-984X(2017)06-0049-03

由于物流运输包装行业的迫切需求，木制托盘在全世界的用量最多，又因其价格便宜，抗弯强度大，承载能力大，易修补等适用范围很广，是多种行业领域的理想选择。因此开发生产流水线加快高质量木制 托盘的生产十分重要。

在木制托盘生产行业，木制托盘的制造皆为人工使用气动打钉枪钉制生产，工人因此会高频率使用气 动枪。而打钉枪是由高压压缩空气作为动力，在气膛内压缩气体推动撞针撞击打钉，高速向作业对象运动。由于撞针撞击钉子进人木质原料的瞬间会产生巨大的反击力，并通过手柄传递到工人的手臂，产生振动。工人长时间使用后，手臂会有酸痛的感觉，手掌因此也会出现红疼痛等重状[1]。机械自动化技术的成熟和 机器人的广泛使用，让许多木质托盘制造厂家开始使用机器人打钉自动化生产设备。该设备是由机器人携 带打钉枪，替代人工完成木质托盘的生产，提高了企业的生产效率。然而，这套设备在工作中有很多问题 出现，例如：在机器人运行到打钉位置时，需要扣动打钉枪扳机方可使打钉枪内撞针撞击打钉进人木板中。鉴于此，通过对打钉枪机构和打钉方式的研究，设计出由气动控制控制的打钉枪可解决这一问题。

1木质托盘的生产工艺分析

木托盘的传统加工工艺过程：将原材料烘干，锯成需要的条状，把所需木墩和锯好的面板、衬板摆放 在专门的平面夹具上，再由工人手持打钉枪钉制，完成木制托盘的制造[2]。由此可见整个工程耗时耗力，而且完全是人工制造，不但对工人的健康造成伤害，而且耗费大量的财力。

图1是型号为1.2 m X1.0 m的常用美式托盘，单面使用，前后进叉。

这种托盘的制造工艺是：先在夹具上放置3块底板，然后放置8块面板。

机器人携带打钉枪，从第一块板打到最后一块板，制造完成完整的美式托

盘。生产型号为1.2m x1.0m的木质美式托盘，其具体生产过程见图2所

示。这种木制托盘打钉设备，完美地解决了大量使用劳动力的问题，而且

提高了生产效率和生产质量。但在实际应用中发现，在机器人运动到打钉

位置时，无法开启打钉枪完成生产任务，所以设计了一种在机器人高速运

行时方便快捷又经得住反复使用的气动控制打钉枪打钉的控制方式。

依据木托盘各种打钉枪使用控制方式，在吸取国内外设备的优点，设

收稿日期：2017-06-20

基金项目：安徽省自然科学基金（N〇.1608085ME106);安徽省高校自然科学基金重点项目（KJ2015A063);安徽省高校优秀 青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2016122 )

作者简介：朱行飞（1991-)，男，硕士研究生，主要从事机器人视觉研究，349270532@。

通讯作者：陆华才（ 1975-)，男，博士，教授，主要研究方向为特种电机及其控制。

• 50 •齐齐哈尔大学学报（自然科学版）2017 年计出此气动控制。打钉枪控制打钉的方式。真正意义上解决了机器人在木质托盘领域的应用问题，实现了 有效节省劳动力的投人、提高企业生产效率、减少了对振动工人伤害的目标。

机器人移动到

打钉位置

图2机器人木质托盘生产流程2气动控制的打钉枪的结构和原理

在设计研发时，为了证明该方法的普适性，以正在生产线上的某型号的打钉枪作为研发对象，该打钉 枪主要应用于制作卡板、电缆木轴、出口木箱等。作为木制托盘制造必不可少的使用工具[3]。打钉枪按其 物理结构是由枪身部分和钉盒部分二部分组合而成。本设计只对枪体本身再设计，不讨论钉盒。枪身部分 是由枪壳、气缸、回缩器、开关组件、撞针组件（枪舌）、缓冲垫、枪嘴及保险杠组件等组成。

手柄部分：打钉枪手柄为中空结构，尾部连有气管接头，

是高压气源的输人口。

开关组件部分：由联系紧密的扳机、保险和开关组件组

成，是本次设计研究的主体。

撞针：开关组件每开关一次，气腔室内气体由于压强差

的缘故，撞击一次撞针，推动打钉进人木质原料。

枪体部分：枪体是气动打钉枪的功能主体，由气腔室，

密封圈，活塞等组成。

打钉枪结构如图3所示，气动打钉枪内部是由各个结构

的腔室组成的，各腔室之间通过阻尼孔、小气道等部件连通。

手柄的气道、储气室、内、外气缸等几种空腔组成了气钉枪

的内部流场空间[4]。利用压缩空气与大气压差，通过扳机开

关使撞针（活塞）在气缸内做往复运动，完成打钉枪的使用。

在气动打钉枪的工作过程中，作为控制压缩空气进出的

关键部件一开关组件的性能是关键。所以正确控制压缩空气

的流动对于钉枪的功能至关重要[5]。本气动打钉枪主要是对打

钉枪开关组件的重新设计，使之更完美的与机器人结合在一起，

更好地在木制托盘制造等行业应用。图4为气动打钉枪开关组

件结构图。

传统开关组件是由触发阀、触发阀杆、弹簧、触发阀笼、

先导阀、指针、密封圈等组成。传统的打钉枪在使用打钉枪过

程中，是由操作工人按下扳机，扳机连接下的触发阀杆被按下，

因此枪膛内的压缩空气流到活塞顶部，顶着活塞向枪膛下部运

动，压缩气体推动撞针并将钉子射出枪膛。与传统打钉枪的触

发阀套件相比，本气动控制开关组件的打钉方式设计，去除了

打钉枪扳机组合的接触杆、臂指南和开关组件的触发阀杆、压缩弹簧等。经过反复的研究和测试之后，对 触发阀盖进行了再设计。

如图5所示，新的触发阀盖设计是在原触发阀盖基础上，对原触发阀盖的顶端进行二次加工，去除了 顶端凸出头部，根据工艺需求加工成一个可以安装合适气管接头的螺纹口。在阀盖顶端安装一个需求量合 适的气管接头，组成新的触发阀套件，如图6所示。然后搭配电磁阀组成一个新的可控的气动控制的打钉 枪开关组件。当电磁阀每通断一次，控制气源通断一次，触发阀套件工作一次，打钉枪射出一颗钉，钉到图4气动打钉枪开关组件结构图 1-先导阀;2-前气室;3-触发阀杆;4-枪体; 5-触发阀盖;6-触发阀;7-压缩弹簧打钉完成后机 器人码垛

放置3

根底板