基于氣動(dòng)與伺服技術(shù)結(jié)合的氣門通用機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李昌平，趙雷，楊川

（1.重慶永豐精銳氣門有限公司，重慶 401120；2.重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402760）

氣門是內(nèi)燃機(jī)上的重要零部件，氣門加工屬于大批量生產(chǎn)，工藝過程較為復(fù)雜，加工工序較多，余量小，節(jié)拍快，質(zhì)量要求高。部分氣門生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始自動(dòng)化改造，采用簡(jiǎn)易氣動(dòng)機(jī)械手替代人工。如車床上下料、磨床上下料、切斷上下料等都采用了簡(jiǎn)易氣動(dòng)機(jī)械手。簡(jiǎn)易氣動(dòng)機(jī)械手能夠替代人工，但送料精度低，穩(wěn)定性不高，維護(hù)頻率高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)送料不到位，導(dǎo)致氣門報(bào)廢的情況。為解決這一問題，重慶永豐精銳氣門有限公司和重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院合作，以氣門生產(chǎn)工序中的錐面磨床為對(duì)象，使用氣動(dòng)伺服控制結(jié)合的方式重新設(shè)計(jì)了上下料機(jī)械手。

簡(jiǎn)易機(jī)械手由氣缸驅(qū)動(dòng)，并且使用旋轉(zhuǎn)連桿結(jié)構(gòu)，氣缸的推力受氣壓影響較大。企業(yè)的氣源系統(tǒng)氣壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致氣缸輸出推力不穩(wěn)定，影響定位精度。擺臂機(jī)械手和接料結(jié)構(gòu)使用旋轉(zhuǎn)連桿結(jié)構(gòu)，定位誤差較大，同時(shí)當(dāng)氣缸使用出現(xiàn)一定的磨損后誤差更大，導(dǎo)致穩(wěn)定下降，故障率增高。

1 氣門通用機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)簡(jiǎn)易機(jī)械手的分析，簡(jiǎn)易機(jī)械手問題存在的主要原因在于核心定位結(jié)構(gòu)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，核心傳動(dòng)采用連桿結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。故針對(duì)以上原因，重新設(shè)計(jì)了機(jī)械手，采用氣動(dòng)與伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)合的方式，核心定位結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，同時(shí)取代連桿結(jié)構(gòu)，全部使用直線傳動(dòng)。

如圖1所示，氣動(dòng)與伺服技術(shù)結(jié)合的氣門通用機(jī)械手主要由三大部分構(gòu)成：支架系統(tǒng)，自動(dòng)料倉(cāng)系統(tǒng)，抓取機(jī)械手系統(tǒng)。支架系統(tǒng)主要起支撐整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)，具有良好的剛性和強(qiáng)度，保證自動(dòng)料倉(cāng)滿載負(fù)荷時(shí)能夠穩(wěn)定支撐，抓取機(jī)械手在高速運(yùn)行的時(shí)候能夠保持剛性，將震動(dòng)控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。自動(dòng)料倉(cāng)系統(tǒng)具備儲(chǔ)存氣門的功能，可以根據(jù)氣門的大小進(jìn)行調(diào)整，可以適應(yīng)不同大小的氣門。還具備分料功能，將存儲(chǔ)的氣門一個(gè)一個(gè)的分離出來。還具有流水線接口，可以適用于人工裝料，也適于自動(dòng)流水線連接自動(dòng)進(jìn)料。

圖1 氣動(dòng)與伺服技術(shù)結(jié)合的氣門通用機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 抓取機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，抓取機(jī)械手主要作用是將自動(dòng)料倉(cāng)里的氣門，精確的抓取到機(jī)床氣門裝夾位置。抓取機(jī)械手系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、直線模組、緩沖器、上下氣缸、送料氣缸、氣動(dòng)夾爪構(gòu)成。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線滑臺(tái)左右做直線運(yùn)動(dòng)，直線滑臺(tái)主要由直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠。直線滑臺(tái)帶動(dòng)上下氣缸左右運(yùn)動(dòng)。上下氣缸主要做上下直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)送料氣缸和氣動(dòng)夾爪。在上氣缸上端裝有緩沖器，主要起行程緩沖和行程調(diào)整的作用。

圖2 抓取機(jī)械手系統(tǒng)

2.2 直線滑臺(tái)設(shè)計(jì)

直線滑臺(tái)采用直線導(dǎo)軌支撐導(dǎo)引，使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，采用水平壁掛式結(jié)構(gòu)，保證直線滑臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。需對(duì)滑塊負(fù)荷和與壽命進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合導(dǎo)軌生產(chǎn)廠商的參數(shù)進(jìn)行選型。本設(shè)備選擇臺(tái)灣上銀科技股份有限公司的直線導(dǎo)軌產(chǎn)品。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣門通用機(jī)械手氣動(dòng)回路圖如圖3所示，表1為電磁鐵動(dòng)作順序表。

4 結(jié)語

基于氣動(dòng)與伺服技術(shù)結(jié)合的氣門通用機(jī)械手除了能夠滿足錐面磨床的上下料要求外，還能適用于氣門車床上下料工序，切斷上下料工序等，已經(jīng)在重慶永豐精銳氣門有限公司大量使用，送料精度高，穩(wěn)定性高，故障率低。

圖3 氣門通用機(jī)械手氣動(dòng)回路圖

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表