電鍍線三自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)

陳 剛

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412000）

電鍍線三自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)

陳 剛

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412000）

根據(jù)環(huán)形電鍍線的特點(diǎn),詳細(xì)介紹了三自由度機(jī)械手的基本形式,并分析了其運(yùn)動(dòng)過(guò)程;就三自由度機(jī)械手在環(huán)形電鍍生產(chǎn)線中的應(yīng)用做了說(shuō)明,為環(huán)形電鍍生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供了新的方法。

電鍍;機(jī)械手;環(huán)形電鍍生產(chǎn)線

0 前言

在自動(dòng)化裝配電鍍生產(chǎn)線上,機(jī)械手能將單個(gè)或多個(gè)工件快速的從一個(gè)位置準(zhǔn)確地抓取移動(dòng)到目標(biāo)位置。機(jī)械手的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率,也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,同時(shí)其還能使操作人員免受電鍍環(huán)境對(duì)于人身健康的影響。目前應(yīng)用較多的機(jī)械手有二自由度機(jī)械手和三自由度機(jī)械手。

1 三自由度機(jī)械手的基本形式與運(yùn)動(dòng)分析

三自由度機(jī)械手相對(duì)于二自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,它是在二自由度機(jī)械手的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,只是比二自由度機(jī)械手增加了一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。在電鍍生產(chǎn)線上,三自由度機(jī)械手的兩種基本形式是:（1）搖臂式自動(dòng)取料機(jī)械手;（2）橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手。這兩種機(jī)械手大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線上的自動(dòng)取料,具有很強(qiáng)的代表性。

1.1 搖臂式自動(dòng)取料機(jī)械手

典型的搖臂式自動(dòng)取料機(jī)械手,其運(yùn)動(dòng)由X,Y兩個(gè)相互垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)與一個(gè)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)組合而成,如圖1所示。搖臂式自動(dòng)取料機(jī)械手一般為小型機(jī)械手,圖2為此種機(jī)械手的應(yīng)用實(shí)例。

這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下:

（1）動(dòng)作1 當(dāng)執(zhí)行下降取料命令后,機(jī)械手抓取裝置沿Z軸方向垂直下降,如圖1中軌跡1所示,抓取動(dòng)作可以通過(guò)吸盤(pán)、氣動(dòng)手指和杠桿機(jī)構(gòu)等完成;

圖1 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式一

圖2 搖臂式自動(dòng)取料機(jī)械手實(shí)例

（2）動(dòng)作2 抓取鍍件的機(jī)械手沿Z軸反方向運(yùn)行到原點(diǎn),如圖中軌跡2所示;

（3）動(dòng)作3 機(jī)械手繞Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度為下一次運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備,如圖中軌跡3所示;

（4）動(dòng)作4 機(jī)械手沿X軸方向?qū)㈠兗\(yùn)行到釋放點(diǎn)上方,再通過(guò)Z軸的下降運(yùn)動(dòng)將鍍件釋放到指定地點(diǎn);

（5）動(dòng)作5 機(jī)械手沿上述軌跡反方向運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn),開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

根據(jù)控制要求,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和X軸方向的直線運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行。

1.2 橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手

典型的橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手,其運(yùn)動(dòng)由 X,Y,Z 3個(gè)相互垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)組合而成,也稱為三自由度平移機(jī)械手。

（1）運(yùn)動(dòng)形式

橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)與搖臂式機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的,所不同的是橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)全部為直線運(yùn)動(dòng),在結(jié)構(gòu)上更具有代表性,如圖3所示。橫行式自動(dòng)取料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分為X軸、Y軸、Z軸3部分,主要在空間運(yùn)動(dòng)距離較大的場(chǎng)合使用;而搖臂式機(jī)械手則將其中一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)用更簡(jiǎn)單的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)所代替。

圖3 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式二

（2）運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

這種機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上主要是將X軸、Y軸、Z軸（主手、副手）、底座等4部分采用模塊化的方式通過(guò)直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)搭接而成,其中 X軸、Y軸、Z軸在相互垂直的方向上進(jìn)行搭接連接。直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)不僅是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件,各部分結(jié)構(gòu)的連接也是通過(guò)直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下:

動(dòng)作1 當(dāng)執(zhí)行下降取料命令后,機(jī)械手抓取裝置沿Z軸方向垂直下降,如圖3中軌跡1所示,抓取裝置包括吸盤(pán)、氣動(dòng)手指和杠桿機(jī)構(gòu)等;

動(dòng)作2 機(jī)械手抓取鍍件后沿Z軸反向回到原點(diǎn),如圖中軌跡2所示;

動(dòng)作3 機(jī)械手抓取鍍件沿 Y軸方向移動(dòng),如圖中軌跡3所示;

動(dòng)作4 根據(jù)運(yùn)動(dòng)需要,機(jī)械手抓取鍍件沿X軸方向移動(dòng),實(shí)現(xiàn)跨距轉(zhuǎn)移,如圖中軌跡4所示;

動(dòng)作5 當(dāng)鍍件運(yùn)行到釋放點(diǎn)上方時(shí),機(jī)械手執(zhí)行下降命令沿軌跡5下降至釋放點(diǎn)釋放鍍件,完成一次鍍件的轉(zhuǎn)移;

動(dòng)作6、動(dòng)作7、動(dòng)作8 這幾個(gè)動(dòng)作沿上述運(yùn)動(dòng)軌跡反向運(yùn)行,回到原點(diǎn)位置,進(jìn)人待料狀態(tài),等待下一次取料循環(huán)。

這種橫向移動(dòng),根據(jù)控制和運(yùn)行的要求,X軸、Y軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行。

2 在環(huán)形電鍍線中的布置形式

環(huán)形電鍍生產(chǎn)線是電鍍行業(yè)大批量生產(chǎn)中常采用的設(shè)備,其環(huán)形的形成除了傳統(tǒng)的懸掛鏈外,還可以通過(guò)機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn),其平面布置圖,如圖4所示。

圖4 環(huán)形電鍍線示意圖

在過(guò)渡區(qū),機(jī)械手若為三自由度,其可用的坐標(biāo)形式有兩種。

（1）直角坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂末端沿直角坐標(biāo)系的X,Y,Z 3個(gè)坐標(biāo)軸作直線移動(dòng),如圖5（a）所示。

（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié),構(gòu)成圓柱形狀的工作范圍,如圖5（b）所示。

圖5 三自由度的兩種典型坐標(biāo)形式

3 小結(jié)

隨著電鍍工業(yè)的發(fā)展,對(duì)電鍍工藝提出了新的要求,同樣對(duì)電鍍?cè)O(shè)備也提出了更高的要求。機(jī)械手因其具有良好的空間轉(zhuǎn)移性能和控制性能佳等特點(diǎn),因而在電鍍生產(chǎn)線上有很好的應(yīng)用前景。

[1] 張立茗.我國(guó)電鍍?cè)O(shè)備的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].電鍍與精飾,2001,23（5）:13-15.

[2] 陳剛.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[3] 陳剛.環(huán)形電鍍生產(chǎn)線機(jī)械手過(guò)渡的實(shí)現(xiàn)[J].電鍍與環(huán)保,2010,30（5）:14-15.

Design of Three-Degree-of-Freedom Transition Robot for Electroplating Line

CHEN G ang

（Zhuzhou Professional Technical Institute,Zhuzhou 412000,China）

The basic form of the robot is described according to the features of electroplating line,and its moving process is also analyzed.The application of the robot in circular electroplating line is illustrated,providing a new design method for this application.

electroplating;robot;circular electroplating line

TQ 150.5

A

1000-4742（2011）04-0034-03

2010-10-19