立式軸承壓裝機(jī)上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

龔青山,常治斌,任愛(ài)華,張光國(guó)

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,湖北 十堰 442002)

隨著社會(huì)的發(fā)展,擁有高效率和高質(zhì)量的自動(dòng)化裝配線(xiàn)才能適應(yīng)現(xiàn)代化進(jìn)程的要求.針對(duì)東風(fēng)汽車(chē)某公司立式軸承壓裝機(jī)使用過(guò)程中,人工上料效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,作者通過(guò)深入研究和分析,以及對(duì)現(xiàn)有裝配線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的立式軸承壓裝機(jī)上料機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)了上料自動(dòng)化,使得勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,生產(chǎn)效率得到很大提高.

1 技術(shù)要求與參數(shù)分析

1.1 整體分析

該壓裝機(jī)由壓裝置、托盤(pán)送料裝置、定位裝置、升降裝置等幾部分組成(圖1)[1].

圖1 立式軸承壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

當(dāng)變速箱中殼通過(guò)自動(dòng)線(xiàn)導(dǎo)軌傳輸?shù)皆搲貉b機(jī)的托盤(pán)送料裝置后,升降裝置向下運(yùn)動(dòng),托盤(pán)下落通過(guò)定位裝置定位在壓裝機(jī)的工作臺(tái)上,壓裝裝置聯(lián)接在移動(dòng)橫梁上,要安裝的變速箱中殼中間軸、二軸軸承外圈套在壓頭上,主氣壓缸帶動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)快速定位行程和壓裝行程及快速返回行程3個(gè)過(guò)程,完成軸承外圈的壓裝.裝配過(guò)程中工人需要手動(dòng)將中間軸、二軸軸承外圈套在壓裝機(jī)的壓頭上.

通過(guò)分析壓裝機(jī)的整體布局,壓裝機(jī)工作平面上可用于安裝機(jī)械手的面積粗略為164×420,這就要求在設(shè)計(jì)方案中時(shí)刻考慮空間的要求.除此之外,在壓裝機(jī)的左右壁面上均安裝有其他零部件,這就要考慮這些零部件對(duì)加裝機(jī)械手的影響.

本機(jī)械手是將料箱的軸承外圈送往高度為650mm的兩個(gè)壓頭上,上料零件的質(zhì)量約為0.2～0.3 kg(圖2),因此整個(gè)工作過(guò)程的速度要求不高,同時(shí)承載的扭矩和力也不高.由于壓裝機(jī)壓裝零件體積質(zhì)量都比較大,裝卸很不方便,使得機(jī)械手的工作周期較長(zhǎng),安裝過(guò)程有15 s左右的時(shí)間,工件擺放位置與安裝位置之間有大約90°夾角,垂直距離約為550 mm.

圖2 變速箱中殼中間軸、二軸軸承外圈

1.2 技術(shù)要求

設(shè)計(jì)要求如下:1)便于安裝和維護(hù);2)為了實(shí)現(xiàn)多品種切換,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡必須是可調(diào)節(jié)的;3)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)還應(yīng)具有較高的定位精度;4)機(jī)械手反應(yīng)時(shí)間短.

2 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)

目前工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)械手,都已經(jīng)逐漸發(fā)展為工業(yè)機(jī)器人,大多由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置組成,是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化的生產(chǎn)設(shè)備.而在本壓裝機(jī)中所使用的機(jī)械手由機(jī)械本體,伺服驅(qū)動(dòng)(氣壓)和檢測(cè)傳感裝置組成,主要部分為機(jī)械本體,也是該機(jī)械手的重點(diǎn)研究對(duì)象.

通過(guò)分析其他類(lèi)型的上料機(jī)械手技術(shù)參數(shù)和要求,機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分:手部部分(末端操作器)和主體部分.手部部分主要用于夾取零件,主體部分主要作用是控制手部的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度,同時(shí)也負(fù)責(zé)零件的定位.

2.1 手部設(shè)計(jì)

機(jī)械手手部部分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)手部)是機(jī)械手的重要組成部分,它由手指(手爪)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接及支承元件組成,通過(guò)對(duì)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持,機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)如圖3所示[2,3].

圖3 手部結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)活塞桿8推動(dòng)推餅推力桿6,在推力桿6的作用下,其頂端的橢圓型推餅擠壓兩側(cè)的手爪5,使得手爪產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn),從而達(dá)到手爪的張開(kāi)閉合.當(dāng)活塞桿向前運(yùn)動(dòng)時(shí)可使手爪閉合,當(dāng)活塞桿向后運(yùn)動(dòng)時(shí),在彈簧收縮力的作用下可使手爪張開(kāi).整個(gè)過(guò)程只產(chǎn)生空間平移運(yùn)動(dòng),而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示,自由度:F=3n-2Pl-Ph=3×2-2×2-1=1,所以得出該機(jī)械手有確定的運(yùn)動(dòng),能完成夾取零件的工作.該手爪的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制,在活動(dòng)張角不大的情況下,能夠有效抓取零件,并產(chǎn)生足夠的夾緊力和足夠的強(qiáng)度剛度.

圖4 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 主體部分的設(shè)計(jì)

主體部分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主體)相當(dāng)于機(jī)械手的支撐部件,它主要負(fù)責(zé)控制機(jī)械手在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡.在上料過(guò)程中,該機(jī)械手只需產(chǎn)生1次平移運(yùn)動(dòng)和1次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可.故而平移運(yùn)動(dòng)也采用氣壓缸驅(qū)動(dòng)控制,考慮到機(jī)械手可利用的空間有限,無(wú)法容納較多的零部件,因此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用了空間凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)完成,即根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡在圓柱面上設(shè)計(jì)出曲線(xiàn)凹槽,使整個(gè)手部沿著該曲線(xiàn)凹槽運(yùn)動(dòng)(圖5)[2,3].

圖5 主體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)械手夾取工件后,與支撐體相連的旋轉(zhuǎn)體依靠從圓柱凸輪機(jī)構(gòu),使得旋轉(zhuǎn)體帶動(dòng)手部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).這樣就可以完成手部在空間的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng),最終使工件順利地套在壓頭上.該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,同時(shí)能很好地利用壓裝機(jī)自身的氣壓源,而不需要另外加裝驅(qū)動(dòng)源.

3 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)械手安裝在立式壓裝機(jī)左側(cè)部位,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的工作.在配合壓裝機(jī)壓頭壓裝過(guò)程中需要保證較高的精度,同時(shí)要與壓頭的壓裝周期相一致,所以在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮機(jī)械手在壓裝機(jī)工作臺(tái)的安裝尺寸,此外,導(dǎo)柱上導(dǎo)向槽的設(shè)計(jì)要使手部運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足送料的要求.因此機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮安裝位置精度和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)要求.如圖6是該機(jī)械手與壓裝機(jī)總裝配示意圖[2,3].

圖6 機(jī)械手總裝配示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用氣壓缸提供動(dòng)力,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠,清潔無(wú)污染,同時(shí)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)空間凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),保證了送料的穩(wěn)定高效.通過(guò)應(yīng)用這種自動(dòng)上料機(jī)械手,縮短了產(chǎn)品裝配的時(shí)間,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證了產(chǎn)品裝配質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了裝配線(xiàn)的自動(dòng)化,為企業(yè)獲得更高的效益.

[1]常治斌,任柏林,龔青山,等.YZ-I型立式軸承壓裝機(jī)研制及應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究(增刊),2009,25:211-213.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3]甘永立.幾何量公差與檢測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2003.