一種芯體定位裝配及運(yùn)送裝置的設(shè)計(jì)

周 浩，盧劍鋒，田紫鋒，潘文見(jiàn)

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

自動(dòng)化機(jī)械工作效率高，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，在大部分領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一個(gè)操作工人可以控制3到6臺(tái)機(jī)器，工作安全性很高[1]?，F(xiàn)在大部分的零件供送都運(yùn)用到機(jī)械手結(jié)構(gòu)，而XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手是現(xiàn)在軸類(lèi)芯體供送最常用的，因其可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來(lái)重復(fù)搬運(yùn)；或者用來(lái)點(diǎn)膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測(cè)、封裝、剁碼，鎖螺絲當(dāng)然也可以[2]。在制造方面，它制造成本相當(dāng)?shù)牡?，它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同。可靠性高、速度快、精度高，可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時(shí)在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便[3]。

零件供送裝配裝置在工業(yè)社會(huì)中起到的應(yīng)用情況很大程度上反映一個(gè)國(guó)家工業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平，而我國(guó)對(duì)工業(yè)芯體供送機(jī)械手的應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對(duì)較低，芯體供送裝置的研究和開(kāi)發(fā)從根本上會(huì)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上都需要提高軸類(lèi)芯體供送裝置的水平。因此，芯體供送裝置的研究設(shè)計(jì)是非常有現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展空間的。

1 自動(dòng)供送裝配裝置國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)起步晚，在軸類(lèi)芯體供送裝置行業(yè)我國(guó)和其他國(guó)家相比是發(fā)展較晚的國(guó)家，軸類(lèi)芯體供送裝置行業(yè)前期的發(fā)展比較緩慢，這也是時(shí)代大背景造成的，使得我國(guó)的軸類(lèi)芯體供送裝置的發(fā)展處于下風(fēng)，國(guó)外的大量軸類(lèi)芯體供送裝置都在涌入中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)軸類(lèi)芯體供送裝置生產(chǎn)商家基本上被動(dòng)學(xué)習(xí)與模仿相關(guān)技術(shù)，沒(méi)有掌握重要的技術(shù)?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)在軸類(lèi)芯體供送裝置的技術(shù)一直在完善和提高，設(shè)備在不斷升級(jí)，已經(jīng)能夠滿足市場(chǎng)上的很大一部分的需求和要求，但是還存在效率偏低、體積偏大等問(wèn)題[4-6]。

在軸類(lèi)芯體供送裝置設(shè)備方面，美國(guó)、德國(guó)、日本、意大利和德國(guó)的制造水平相對(duì)較高，呈現(xiàn)出一種新的趨勢(shì)：它們是靈活度高，定位準(zhǔn)確，能夠?qū)⑤S類(lèi)芯體快速定位并運(yùn)送到指定的裝配位置；能夠多自由度的定位和運(yùn)送軸類(lèi)芯體。在外國(guó)，軸類(lèi)芯體自動(dòng)化的供送領(lǐng)域發(fā)展很快，從早期的人工供送，到三軸機(jī)械手供送再到最后的多自由度供送，發(fā)展迅速，在物體供送、抓取、裝配等行業(yè)向著靈活度高、效率高的方向發(fā)展，但是目前國(guó)外對(duì)于模塊化的自動(dòng)供送裝置的設(shè)計(jì)很少[7-8]。

2 方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，芯體定位裝配及運(yùn)送裝置應(yīng)用于芯體(及模具)的初始位置已經(jīng)確定的情況下。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)控制各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)的先后順序來(lái)完成芯體的供送。

圖1 芯體供送裝置總體布局圖

剛開(kāi)始由芯體裝配裝置1對(duì)芯體與模具進(jìn)行定位與裝配，然后裝盤(pán)機(jī)械爪3將芯體(及模具)抓取后，通過(guò)XYZ方向運(yùn)送裝置4移動(dòng)將芯體(及模具)定位卸載在載盤(pán)2進(jìn)行初始運(yùn)送，裝滿載盤(pán)2后(16個(gè))，載盤(pán)2通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)5旋轉(zhuǎn)然后由卸盤(pán)機(jī)械爪8將芯體(及模具)抓取后通過(guò)X1Y1Z1方向運(yùn)送裝置6移動(dòng)將芯體(及模具)定位卸載在X方向運(yùn)送裝置9進(jìn)行最終運(yùn)送，芯體(及模具)到裝配的位置后，這樣就完成一次完整的工藝流程。一個(gè)龍門(mén)架7上分別固定了XYZ方向運(yùn)送裝置4和X1Y1Z1方向運(yùn)送裝置6，解決了現(xiàn)有自動(dòng)供送裝置體積大的問(wèn)題。且利用裝盤(pán)機(jī)械手3與卸盤(pán)機(jī)械手8同時(shí)運(yùn)作，解決了現(xiàn)有自動(dòng)供送裝置效率低的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具和芯體裝配裝置1，以此來(lái)提高本設(shè)計(jì)運(yùn)送芯體的精確度和效率。

2.1 芯體裝夾模具和載盤(pán)設(shè)計(jì)

在芯體供送之前需要通過(guò)芯體裝配裝置來(lái)定位和夾緊芯體，而芯體(及模具)需要載盤(pán)來(lái)定位。這樣可以為后續(xù)的芯體供送和芯體的裝配提高效率和準(zhǔn)確性。

如圖2所示，芯體的裝夾模具的結(jié)構(gòu)由擋盤(pán)1、滑動(dòng)底板3上分別的兩個(gè)通孔與兩個(gè)導(dǎo)向桿4相配合而兩個(gè)彈簧5又與兩個(gè)導(dǎo)向桿4相配合，最后再由兩個(gè)鎖緊螺母8限制滑動(dòng)底板3與擋盤(pán)1的最大距離就構(gòu)成了裝夾模具。

圖2 芯體裝夾模具和載盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

芯體的裝夾過(guò)程：剛開(kāi)始由機(jī)械爪將芯體區(qū)分方向，然后用圖3的芯體裝配裝置進(jìn)行模具的定位與芯體裝配，圖3中的底面2限制了模具5的3個(gè)自由度，側(cè)擋面6限制了模具5的2個(gè)自由度，前擋面3限制了模具5的一個(gè)自由度，雙軸式氣缸1可以按圖中實(shí)線箭頭方向運(yùn)動(dòng)，從而夾緊模具5。筆桿式氣缸4按圖中虛線箭頭方向推動(dòng)圖2中模具的導(dǎo)向桿4，然后將芯體放入模具5中并將芯體定位孔9對(duì)準(zhǔn)滑動(dòng)底板3上的定位圓柱2，該動(dòng)作限制了芯體的2個(gè)自由度然后擋盤(pán)1限制了芯體的底面和側(cè)面相當(dāng)于限制了芯體的4個(gè)自由度，從而模具完成了對(duì)芯體的定位。當(dāng)筆桿式氣缸沿圖3中虛線箭頭相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖2中導(dǎo)向桿4上的彈簧5會(huì)對(duì)擋板1釋放壓力，然后擋板1會(huì)沿圖3中虛線箭頭相反方向運(yùn)動(dòng)從而將芯體夾緊。這個(gè)過(guò)程也就完成了芯體與模具的裝夾與定位。

圖3 芯體裝配裝置

如圖4所示，由機(jī)械爪將裝夾芯體后的模具水平擺置載盤(pán)上并且滑動(dòng)底板3上的底盤(pán)定位孔7和底板鍵槽孔6，要與載盤(pán)上定位圓柱10和定位平鍵11對(duì)齊，這個(gè)過(guò)程就完成了芯體(模具)與載盤(pán)之間的定位。一個(gè)載盤(pán)可以定位16個(gè)芯體(及模具)。

圖4 芯體(及模具)與載盤(pán)裝配簡(jiǎn)圖

2.2 送料裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，芯體(模具)送料裝置：該裝置由電機(jī)1通過(guò)聯(lián)軸器2帶動(dòng)絲杠螺母7運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槁菽?與載臺(tái)5相連接，而載臺(tái)5又與滑塊4連接，滑塊4與滑軌3配合，從而導(dǎo)軌3起到了載臺(tái)5的導(dǎo)向的作用，從而載臺(tái)5可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。而載臺(tái)5與芯體裝夾模具6通過(guò)定位孔與平鍵連接和定位與圖2中芯體(模具)和上料載盤(pán)的定位方式相同，最終實(shí)現(xiàn)了芯體(模具)的運(yùn)送。

圖5 芯體裝夾模具與載盤(pán)上料裝置

2.3 機(jī)械爪裝置設(shè)計(jì)

如圖6所示，機(jī)械爪通過(guò)連接塊5和機(jī)架7與Z方向載臺(tái)8相連接，左側(cè)的不完全齒輪2與舵機(jī)1相連，而舵機(jī)1通過(guò)底板6固定，當(dāng)舵機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不完全齒輪桿2也轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)連桿4和夾緊桿3按一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪閉合與張開(kāi)。利用此機(jī)械手可以抓取芯體(模具)。

圖6 機(jī)械爪裝置

2.4 轉(zhuǎn)盤(pán)裝置設(shè)計(jì)

如圖7所示，轉(zhuǎn)盤(pán)裝置由電機(jī)6通過(guò)同步帶7帶動(dòng)立軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，立軸2又通過(guò)法蘭1連接轉(zhuǎn)盤(pán)8，轉(zhuǎn)盤(pán)8通過(guò)如圖2所示的定位圓柱和鍵與載盤(pán)9相連接，從而達(dá)到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)載盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。芯體及(模具)10與載盤(pán)9的連接如圖2所示。當(dāng)裝盤(pán)和卸盤(pán)機(jī)械爪裝卸16個(gè)芯體后，轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以此完成循環(huán)。

圖7 轉(zhuǎn)盤(pán)裝置

3 機(jī)械爪的連桿計(jì)算

芯體及模具的重量大約為1 kg(g=9.8 N/kg)，則重力為：

G=mg=1×9.8=9.8 N

機(jī)械爪前端和模具都為鋁材料，由表1取兩者之間的靜摩擦系數(shù)f=1.2。

令機(jī)械爪的夾緊力為P，則由最大靜摩擦力F得：

F=f·P

F≥G=9.8 N

考慮到外界影響，所以機(jī)械爪的夾緊力必須大于15 N。

部分材料之間的摩擦系數(shù)如表1。

表1 材料之間的摩擦系數(shù)

機(jī)械爪如圖8。

圖8 機(jī)械爪受力

由下式得：

P1=M·L2

P1T·L3=P·L2

當(dāng)桿長(zhǎng)為:L1=51 mm，L2=33 mm，L3=32 mm。滿足機(jī)械爪的夾緊力需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為芯體定位裝配及運(yùn)送裝置，針對(duì)目前已有的自動(dòng)供送裝配裝置存在著價(jià)格昂貴，而且體積大、效率低等的這些問(wèn)題，提出了采用模塊化的芯體定位裝配及運(yùn)送裝置來(lái)解決這些問(wèn)題。該芯體定位裝配及運(yùn)送裝置分別為芯體裝配裝置、芯體抓取裝置、芯體運(yùn)輸裝置，芯體定位模具裝置等模塊，這些模塊之間通過(guò)相互配合完成芯體高效率和精準(zhǔn)定位的供送，設(shè)計(jì)的兩組三軸直線模組機(jī)械手分別解決了現(xiàn)有自動(dòng)供送裝置效率低和體積大的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中采用了專(zhuān)用夾具，提高了芯體運(yùn)送的精確度。本文設(shè)計(jì)的芯體定位裝配及運(yùn)輸裝置具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。