立式軸承壓裝機上料機械手設(shè)計

龔青山,常治斌,任愛華,張光國

(湖北汽車工業(yè)學院機械工程系,湖北 十堰 442002)

隨著社會的發(fā)展,擁有高效率和高質(zhì)量的自動化裝配線才能適應現(xiàn)代化進程的要求.針對東風汽車某公司立式軸承壓裝機使用過程中,人工上料效率低、勞動強度大等問題,作者通過深入研究和分析,以及對現(xiàn)有裝配線現(xiàn)場調(diào)研,設(shè)計出能實現(xiàn)自動上料的立式軸承壓裝機上料機械手,實現(xiàn)了上料自動化,使得勞動強度大大降低,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

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

圖1 立式軸承壓裝機結(jié)構(gòu)簡圖

當變速箱中殼通過自動線導軌傳輸?shù)皆搲貉b機的托盤送料裝置后,升降裝置向下運動,托盤下落通過定位裝置定位在壓裝機的工作臺上,壓裝裝置聯(lián)接在移動橫梁上,要安裝的變速箱中殼中間軸、二軸軸承外圈套在壓頭上,主氣壓缸帶動橫梁向下運動,經(jīng)過快速定位行程和壓裝行程及快速返回行程3個過程,完成軸承外圈的壓裝.裝配過程中工人需要手動將中間軸、二軸軸承外圈套在壓裝機的壓頭上.

通過分析壓裝機的整體布局,壓裝機工作平面上可用于安裝機械手的面積粗略為164×420,這就要求在設(shè)計方案中時刻考慮空間的要求.除此之外,在壓裝機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加裝機械手的影響.

本機械手是將料箱的軸承外圈送往高度為650mm的兩個壓頭上,上料零件的質(zhì)量約為0.2～0.3 kg(圖2),因此整個工作過程的速度要求不高,同時承載的扭矩和力也不高.由于壓裝機壓裝零件體積質(zhì)量都比較大,裝卸很不方便,使得機械手的工作周期較長,安裝過程有15 s左右的時間,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)計要求如下:1)便于安裝和維護;2)為了實現(xiàn)多品種切換,機械手運動軌跡必須是可調(diào)節(jié)的;3)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,同時還應具有較高的定位精度;4)機械手反應時間短.

2 機械手總體方案設(shè)計

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

通過分析其他類型的上料機械手技術(shù)參數(shù)和要求,機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為2個部分: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動軌跡和速度,同時也負責零件的定位.

2.1 手部設(shè)計

機械手手部部分(以下簡稱手部)是機械手的重要組成部分,它由手指(手爪)、驅(qū)動機構(gòu)、連接及支承元件組成,通過對手爪的開閉動作控制實現(xiàn)對工件的夾持,機械手手部結(jié)構(gòu)如圖3所示[2,3].

圖3 手部結(jié)構(gòu)圖

工作時活塞桿8推動推餅推力桿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),從而達到手爪的張開閉合.當活塞桿向前運動時可使手爪閉合,當活塞桿向后運動時,在彈簧收縮力的作用下可使手爪張開.整個過程只產(chǎn)生空間平移運動,而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動.機械手手部的機構(gòu)運動簡圖如圖4所示,自由度:F=3n-2Pl-Ph=3×2-2×2-1=1,所以得出該機械手有確定的運動,能完成夾取零件的工作.該手爪的設(shè)計優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,易于控制,在活動張角不大的情況下,能夠有效抓取零件,并產(chǎn)生足夠的夾緊力和足夠的強度剛度.

圖4 手部結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 主體部分的設(shè)計

主體部分(以下簡稱主體)相當于機械手的支撐部件,它主要負責控制機械手在空間的運動軌跡.在上料過程中,該機械手只需產(chǎn)生1次平移運動和1次旋轉(zhuǎn)運動即可.故而平移運動也采用氣壓缸驅(qū)動控制,考慮到機械手可利用的空間有限,無法容納較多的零部件,因此旋轉(zhuǎn)運動采用了空間凸輪機構(gòu)來完成,即根據(jù)運動軌跡在圓柱面上設(shè)計出曲線凹槽,使整個手部沿著該曲線凹槽運動(圖5)[2,3].

圖5 主體結(jié)構(gòu)圖

當機械手夾取工件后,與支撐體相連的旋轉(zhuǎn)體依靠從圓柱凸輪機構(gòu),使得旋轉(zhuǎn)體帶動手部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動.這樣就可以完成手部在空間的曲線運動,最終使工件順利地套在壓頭上.該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,同時能很好地利用壓裝機自身的氣壓源,而不需要另外加裝驅(qū)動源.

3 機械手總體結(jié)構(gòu)

該機械手安裝在立式壓裝機左側(cè)部位,實現(xiàn)自動上料的工作.在配合壓裝機壓頭壓裝過程中需要保證較高的精度,同時要與壓頭的壓裝周期相一致,所以在機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需要考慮機械手在壓裝機工作臺的安裝尺寸,此外,導柱上導向槽的設(shè)計要使手部運動滿足送料的要求.因此機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮安裝位置精度和導向結(jié)構(gòu)要求.如圖6是該機械手與壓裝機總裝配示意圖[2,3].

圖6 機械手總裝配示意圖

4 結(jié)束語

該結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用氣壓缸提供動力,運動平穩(wěn)可靠,清潔無污染,同時機械手的運動軌跡通過空間凸輪機構(gòu)實現(xiàn),保證了送料的穩(wěn)定高效.通過應用這種自動上料機械手,縮短了產(chǎn)品裝配的時間,提高勞動生產(chǎn)率,保證了產(chǎn)品裝配質(zhì)量,實現(xiàn)了裝配線的自動化,為企業(yè)獲得更高的效益.

[1]常治斌,任柏林,龔青山,等.YZ-I型立式軸承壓裝機研制及應用[J].機械設(shè)計與研究(增刊),2009,25:211-213.

[2]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[3]甘永立.幾何量公差與檢測[M].北京:高等教育出版社,2003.