帶平轉功能的發動機缸體抓取機械手

張允良，陳　濤

(大連機床集團有限責任公司 技術中心，遼寧 大連　116620)

?

帶平轉功能的發動機缸體抓取機械手

張允良，陳濤

(大連機床集團有限責任公司 技術中心，遼寧 大連116620)

文章介紹了為發動機缸體自動生產線設計的一種能夠自動上下料并帶有平轉功能的機械手。對發動機缸體毛坯結構特點、輸送運動狀態等進行了較深入的分析。機械手采用發動機缸體缸孔及頂面定位，液壓驅動，并通過PLC控制其整個動作過程。同時對機械手整體結構、控制系統和部件組成、動作原理進行了介紹。經實踐驗證，該機械手具有很好的應用前景。

自動線；專用機械手；PLC

0　引言

由于工業自動化的全面發展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業自動化的要求，因此，必須利用自動化設備以取代人的勞動，滿足工業自動化的需求。其中機械手是其發展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化生產線、組合機床上使用更為普遍[1]。目前，機械手已發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。相比通用機械手而言，專用機械手還具有結構簡單，成本較低，可靠性較高的特點，因此針對專用機械手的開發設計，無論是從經濟上，還是在技術上都是十分必要的[2]。

本文為某柴油機生產線項目——雙面臥式兩端面柔性加工組合機床，開發設計了一臺自動上下料并帶有平轉功能的機械手。它采用圓柱坐標型的運動形式，液壓系統驅動，PLC系統控制。功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求。

1　方案設計

1.1被輸送的發動機缸體結構

圖1　發動機缸體結構示意圖

如圖1所示，該發動機缸體是典型的箱體結構，具有六個缸孔、一個曲軸孔，稱為六缸發動機。抓取采用2號、5號缸孔及頂面為定位面，抓取部位為發動機下缸孔。

1.2被輸送的發動機缸體運動狀態分析

根據自動線對發動機缸體運行狀態的要求，機械手要完成將缸體從一個固定高度提升(或下降)到另一固定高度，同時完成90°平轉動作，缸體運動狀態分析如圖2所示。

圖2　發動機缸體運動狀態示意圖

工件初始位置在低處，經過機械手提升及平轉復合動作，實現缸體從低處到高處的姿態轉變。

1.3機械手動作分析

發動機缸體首先被機械手夾持，然后提升到高點進行平轉，落下到指定的高度，手抓松開。其周期運動可以表達為：落下—夾緊—抬起—平轉—落下—松開—抬起—返轉。

目前常采用伺服電機控制方式來實現機械手升降及平轉復合運動，此方法需要控制系統配置相應的驅動器等電氣元件，增加電氣結構相對簡單的組合機床投資成本，因此采用液壓驅動是比較理想的選擇。但傳統的液壓機械手結構只能完成單一的升降或平轉功能，因此有必要開發一種結構緊湊、復合度高、維護簡便的液壓驅動機械手[3]。

2　復合運動機械手總體設計

2.1總體結構

工業機械手的結構形式主要有四種：直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型和關節型[4]。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：

圖3　機械手結構簡圖

(1)直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，其工作空間為長方體。

(2)圓柱坐標機械手結構特點

圓柱坐標機械手的空間運動是由一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，其工作空間為圓柱形。

(3)球坐標機械手結構特點

球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間是一個類球形。

(4)關節型機械手結構特點

關節型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的，這種機械手與人體上肢類似。

根據本次設計的要求，工件要同時完成垂直升降和平轉運動。考慮結構緊湊，選擇圓柱坐標型[5]。其結構簡圖如圖3所示。

圖3中，機械手分為機械手抓手(抓取缸體)、手臂升級裝置(用于第一級高度提升)、整體升級裝置(用于第二級高度提升)、平轉裝置(用于機械手平轉)。下文將就各個部件的結構形式及原理進行描述。

2.2機械手抓手結構

該機構是實現工件夾緊動作的裝置。

圖4　機械手抓手結構簡圖

主要組成零件：手指、手臂、壓板、彈簧、固定法蘭、導桿、推桿、油缸支架、發令擋鐵、發令開關、抓手油缸(見圖4)。

動作原理：推桿前端有與固定在手指上的銷軸相配合的導向槽，該導向槽帶自鎖。當推桿在抓手油缸驅動下做向下直線運動時，固定在手指上的銷軸沿推桿前端的導向槽做復合運動，迫使手指繞固定在手臂上的轉軸旋轉，手指張開并機械自鎖，同時壓板在彈簧力的作用下將工件壓緊。松開動作為逆過程。

結構特點：液壓驅動[6-7]，開關發令，機構簡單，手指帶機械自鎖，可有效防止由于動力突然缺失時手指松開而造成不應有的損失。

2.3手臂升降裝置結構

手臂升降裝置的結構如圖5所示。

圖5　手臂升降裝置結構簡圖

該機構是實現手臂第一級升降動作的裝置，油缸行程100mm是發動機缸體始末狀態的高度差，當有不同高度要求時，只需要改變油缸相應的需要行程即可實現。

動作原理：升降油缸缸體通過前端法蘭盤與油缸支架相連，油缸支架與連接板固定，連接板通過鎖緊螺母與手臂末端相連。升降油缸活塞桿通過固定接頭與支座體相連，支座體上安裝直線軸承與手臂導桿配合。當升降油缸大腔進油，活塞桿伸出時，支座體固定不動反作用連接板帶動手臂向上運動，手臂抬起。當升降油缸小腔進油，活塞桿退回時，支座體固定不動反作用連接板帶動手臂向下運動，手臂落下。

結構特點：液壓驅動，開關發令，機構簡單，通過升降油缸行程來改變工件始末狀態的高度。

2.4平轉裝置結構

該機構是實現機械手平轉動作的裝置，該機構平轉角度是由齒條活塞的行程決定的。

圖6　平轉裝置結構簡圖

主要組成零件：齒輪、齒條活塞、齒條擋鐵、調速閥、發令開關、發令擋鐵、心軸、箱體、連接板圓錐滾子軸承、推力圓柱滾子軸承、支柱，如圖6所示。

動作原理：心軸與齒輪通過平鍵固定聯結，齒條活塞與箱體組成一個回轉油缸，箱體與連接板固定聯結，連接板通過支柱與支座體聯結。當回轉油缸一腔進油時，齒條活塞相對齒輪運動，由于齒輪固定則整個裝置圍繞心軸旋轉，旋轉角度可通過齒條擋鐵調整，旋轉速度可通過液壓調速閥調整，始末位置有開關發令[7]。

結構特點：液壓驅動，機構簡單，平轉速度平穩。

2.5整體升降裝置結構

該機構是實現機械手整體升降動作的裝置，機械手整體升級后可以進行平轉動作，升級行程由升級油缸行程決定。

圖7　整體升降裝置結構簡圖

主要組成零件：升降油缸、固定接頭、連接體、可調擋鐵、導向柱、固定擋鐵、直線軸承、連接板、發令開關、拖鏈、頂蓋、支柱，如圖7所示。

動作原理：升降油缸缸體通過前端法蘭盤與頂蓋固定聯結。升降油缸活塞桿通過固定接頭與連接體相連，頂蓋上安裝直線軸承與一端固定在連接體上的四個導向柱配合，導向柱另一端與連接板聯結。當升降油缸大腔進油，活塞桿伸出時，活塞桿推動帶有導向的連接體向上運動，整體抬起。當升降油缸小腔進油，活塞桿退回時，活塞桿拉動帶有導向的連接體向下運動，整體落下，落下行程可由可調擋鐵調整。

結構特點：液壓缸直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，因此不用再額外設計執行件，控制簡單[8]。

2.6機械手控制系統

機械手的定位系統采用開關控制系統，在設定位置安裝無觸點式行程開關。采取PLC程序控制[9-10]。

機械手的驅動系統采用液壓驅動系統，具承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環境中使用的特點。

3　結束語

綜上所述，“帶平轉功能的發動機缸體抓取機械手” 采用兩套油缸驅動滿足了兩級高度升降的要求，同時采用齒輪齒條傳動實現了機械手平轉功能，避免了相同動作需要伺服驅動的成本投入，具有結構緊湊，便于維護的特點。該裝置經過精心的設計和制造，實踐證明在使用過程中一直保持穩定。

[1] 孫志杰，王善軍，張雪鑫.工業機器人發展現狀與趨勢[J]. 吉林工程技術師范學院學報，2011,27(7)：61-62.

[2] 周壽明，鄧成良.可用于生產線的工業機器人研究[J].科技創新導報，2008(7)：59-59.

[3] 于英華．組合機床設計[M]．北京：清華大學出版社，2012.

[4]A Elkady，J Joy，T Sobh，et al.Modular Design: A Plug and Play Approach to Sensory Modules, Actuation Platforms, and Task Descriptions for Robotics and Automation Applications[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2014, 75(2):271-289.

[5]Warnecke H J，Schraft R D，M Barth,et al. Manipulator Design[M]. John Wiley & Sons, Inc., 2007.

[6]成大先.機械設計手冊液壓傳動[M].北京：化學工業出版社,2009.

[7]梅榮娣. 液壓與氣壓傳動控制技術[M].北京：北京理工大學出版社, 2012.

[8]張培志.電氣控制與可編程序控制器[M].北京：化學工業出版社，2014.

[9] 王月芹.基于PLC的機械手控制系統設計[J].液壓與氣動,2011(9):41-43.

[10] 王慶華. 基于PLC機械手控制系統設計[J]. 電子世界, 2014(10):494-495.

(編輯趙蓉)

Engine Block Manipulator with Flat Transfer Function

ZHANG Yun-liang, CHEN Tao

(Technology Center, Dalian Machine Tools Group, Dalian Liaoning 116620, China)

A kind of manipulator with flat transfer function is introduced, which is designed to automatic line loading and unloading engine block. The structural characteristics of the engine cylinder block and the requirement of conveying motion state are analyzed. The mechanical hand is used to locate the cylinder bore and the top surface of the engine cylinder, and the hydraulic drive is used to control the whole operation process through PLC. Respectively, the manipulator overall structure, and control system of the main function, component composition, action principle is introduced. Practice has proved that ,with good applicability.

automatic line;special manipulator;PLC

1001-2265(2016)04-0135-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.036

2016-01-20;

2016-03-09

張允良(1971—)，男，遼寧大連人，大連機床集團技術中心，高級工程師，碩士，研究方向為機床設計，(E-mail)zhangyldl@sina.com。

TH165;TG659

A