三工位氣動機械手設(shè)計

錢正華

[摘 ? ?要 ]針對凸輪片淬火機床上料機械手抓取效率低、定位精度差等問題，文章設(shè)計了一種三工位氣動機械手，抓取時夾緊凸輪片內(nèi)徑，利用一套柔性定位裝置，實現(xiàn)凸輪片的精確定位，通過將三套夾具集裝在一個懸臂上，實現(xiàn)凸輪片的高效抓取。

[關(guān)鍵詞]凸輪片;機械手;三工位;氣動;柔性

[中圖分類號]TS203 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]Aiming at the problems of low grasping efficiency and poor positioning accuracy of the feeding manipulator of the cam piece quenching machine tool， this paper designs a three-station pneumatic manipulator， which clamps the inner diameter of the cam piece during grasping， and uses a set of flexible positioning device to realize the cam The precise positioning of the cams can be achieved by integrating three sets of fixtures on a cantilever to achieve efficient grasping of the cams.

[Keywords]cam piece; manipulator; three-station; pneumatic; flexibility

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對于產(chǎn)品品質(zhì)的更高追求，制造自動化已經(jīng)成為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、參與國際市場競爭的必要條件，是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。機械手廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線中物料的抓取和投放，使用合適的機械手不僅可以提高加工精度，提高生產(chǎn)效率，而且還可以減輕勞動強度。

目前，凸輪片淬火機床普遍使用單工位機械手，該機械手對工件定位要求高，用在自動化生產(chǎn)線中需要人工干預(yù)的概率高。隨著用工成本的增加和競爭的加劇，各企業(yè)對生產(chǎn)成本和加工效率要求也隨之提高，因此設(shè)計一套高效、高精度的機械手就迫在眉睫。本文設(shè)計的三工位氣動機械手不僅可以保證抓取上料精度，減少人工干預(yù)概率，而且抓取效率亦比用單工位機械手提高了3倍。

1 三工位氣動機械手的設(shè)計方案

凸輪片厚度12～16 mm外形如圖1所示，可以看出，不同種類的凸輪片外形輪廓差異較大，但內(nèi)孔形狀和尺寸基本相同。氣動機械手形式多樣，而氣動手指是目前氣動機械手在抓取技術(shù)中應(yīng)用最普遍的方式之一[2]，因此可通過內(nèi)撐式氣動手指抓取凸輪片內(nèi)徑。

本機械手的主要任務(wù)是將自動輸送過來的三件“等間距”、非精確定位工件抓走，由于輸送過來的工件只通過擋板簡單定向，凸輪處并不區(qū)分前后，對于工件2和4，三件工件內(nèi)圓的中心的間距并不完全等距，需要機械手有一定的行程，既能保證三工位機械手同時伸入凸輪內(nèi)徑，又能夾緊凸輪片，保證同時抓取三件工件。

凸輪片淬火前，工件為鍛造件，內(nèi)孔有一定錐度，且尺寸上下制造公差較大，達(dá)到±0.4 mm，但淬火機床要求機械手抓取的工件必須等距且不得有傾斜，考慮到機械手適用的凸輪片厚度不同，因此機械手需設(shè)置柔性定位裝置。

2 機械手結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)的確定

2.1 機械手的結(jié)構(gòu)

為滿足設(shè)計要求，特采用一種三工位氣動式定位抓取機械手，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，機械手由手部、手指和夾緊氣缸、柔性定位裝置、連接件、底板等組成。

機械手的手部采用硬質(zhì)合金材料制成的手指安裝在三爪夾緊氣缸的3個滑臺上，在夾緊氣缸夾持力作用下夾緊凸輪片的內(nèi)徑，手指與內(nèi)孔的接觸處需滾花處理，增加摩擦力。由于內(nèi)孔有概率會有一定斜度，普通機械手抓取時，凸輪片會出現(xiàn)“歪斜”現(xiàn)象。因此，采用定位環(huán)壓緊凸輪片，為適應(yīng)不同厚度工件并保證壓緊力，在定位環(huán)安裝軸上用彈簧預(yù)緊，組成柔性定位裝置。三套機械手通過底板等間距的集裝在一起組成三工位，可同時抓取三件工件。連接件用于將整套裝置與其他運動機構(gòu)連接，完成上下料動作。

2.2 主要參數(shù)的確定

（1）預(yù)緊力的確定。彈簧預(yù)緊設(shè)計長度x=2 mm，彈簧系數(shù)K=1.6 N/mm，則：

F0=Kx=1.6×2=3.2 N （1）

（2）夾持力的計算。夾持時，手指數(shù)為3，工作時常規(guī)搬運沖擊，工件最大重0.9 N，夾持時定位環(huán)稍微壓緊工件，保證定位環(huán)與螺釘頭處產(chǎn)生微小間隙，此時工件受力如圖3所示，手指夾持力為：

式（2）中，F(xiàn)為夾持力（N）;α為余裕率，a=4;G為工件重量（N）;μ為摩擦系數(shù)，取0.4;F0為彈簧預(yù)緊力。

將上述各值代入（2）可得夾持力F=35 N。

（3）扭矩驗算。當(dāng)凸輪片內(nèi)孔有一定斜度時，3個手指與凸輪片內(nèi)徑接觸位置不同，產(chǎn)生扭矩，從而迫使凸輪片發(fā)生傾斜。發(fā)生傾斜趨勢時，由于扭矩作用，一側(cè)彈簧當(dāng)量伸長Δx，碰到預(yù)緊定位端，此時該側(cè)彈簧對工件的作用力為零;另一側(cè)彈簧當(dāng)量縮短Δx，在預(yù)緊力作用下，該側(cè)彈簧對工件的作用力抵抗工件傾斜，為使Δx足夠小需滿足：

F0L≥Fh （3）

式（3）中，L為預(yù)緊力的力臂，L=40 mm;h為夾持力的力臂，h=3 mm。

代入驗算可得128 N·mm≥105 N·mm，滿足要求。

（4）參數(shù)的確定。根據(jù)以上計算，確定氣動三工位機械手的主要參數(shù)。①夾緊氣缸：缸徑50 mm×行程8 mm。②氣缸手指數(shù)：3。③氣源壓力：0.4 MPa。④彈簧線徑：0.8 mm。⑤彈簧長度：18 mm。⑥彈簧螺距：1.8 mm。⑦定位方式：柔性定位。

3 氣動系統(tǒng)

機械手的三工位三爪氣缸由各自的電磁閥獨立控制，同時完成夾緊或松開動作，亦可單獨完成相應(yīng)動作。氣動系統(tǒng)設(shè)有壓力反饋，系統(tǒng)原理如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用一個PLC對機械手及其相配合機構(gòu)夾料至放料過程的自動循環(huán)控制，具有編程方法簡單、通用性和適用性強，性價比高、可靠性高、抗干擾能力強和維護方便[3]等優(yōu)點。系統(tǒng)程序控制流程見圖5。

5 結(jié)束語

本文針對凸輪片淬火機床上料機械手工作效率低、定位精度差等問題，提出了三工位氣動機械手的設(shè)計方案，確定了機械手的結(jié)構(gòu)，驗算并得出了機械手的主要參數(shù)，描述了其氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

本氣動三工位機械手通過連接件與機器人或電動滑臺等配合應(yīng)用在凸輪片淬火機床自動化生產(chǎn)線上，可實現(xiàn)凸輪片的全自動、高精度和高效率上下料。實踐驗證，該設(shè)計完全能滿足生產(chǎn)工藝要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李紹炎.自動機與自動線[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 黃志昌.自動化生產(chǎn)設(shè)備原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.