一種簡(jiǎn)單實(shí)用的工件翻轉(zhuǎn)機(jī)械手
——用于汽車部件裝配生產(chǎn)線

楊銀青

（華勘局五一四隊(duì)華通自動(dòng)化工程公司 承德 067000）

對(duì)設(shè)備裝配生產(chǎn)線的制造廠家而言，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)特殊裝配工藝自動(dòng)化的核心配套設(shè)備之一，在汽車、家電、輕工等工業(yè)行業(yè)的裝配線中應(yīng)用廣泛。本文的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手應(yīng)用于汽車制造行業(yè)的變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件裝配線中。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)械手工藝流程

本文所述翻轉(zhuǎn)機(jī)械手屬于簡(jiǎn)易的三維直線運(yùn)動(dòng)型，按照用戶提出的生產(chǎn)工藝要求，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手具體動(dòng)作過程見圖1。

（1）取件位高位、張開狀態(tài)等待取件信號(hào)→（2）工件到位時(shí)夾緊臂下降→（3）夾緊臂夾緊工件→（4）夾緊臂上升→（5）慢速—快速—慢速行走到放件位→（6）旋轉(zhuǎn)爪將工件垂直翻轉(zhuǎn)90°→（7）輔裝配線工裝到位并停止時(shí)，夾緊臂下降→（8）夾緊臂松開工件→（9）夾緊臂上升→（10）旋轉(zhuǎn)爪復(fù)位→（11）慢速—快速—慢速返回到取件位→（12）等待取件信號(hào)。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)械手主要部件的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)械手主要由六部分組成：①四柱機(jī)架；②變頻行走小車和齒輪齒條副；③變頻升降裝置和導(dǎo)向滑軌；④氣動(dòng)夾緊裝置；⑤變頻翻轉(zhuǎn)裝置和仿形手爪；⑥PLC（可編程序控制器）電控系統(tǒng)。

2.1 四柱機(jī)架

主機(jī)架外形尺寸：L 2.50m×W 1.10m×H 2.80m，采用100×100×5 方管和鋼板等材料制作為散件，表面噴塑處理，現(xiàn)場(chǎng)螺接方式組裝。與主輔裝配線聯(lián)調(diào)后，用膨脹螺栓固定于地面上。

2.2 變頻行走小車（見圖二）

行走小車是機(jī)械手的承載部件，完成工件在主、輔生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)線功能。

行走小車由變頻調(diào)速制動(dòng)電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條副來實(shí)現(xiàn)其往復(fù)行走，能夠有效解決啟停慣性沖擊和定位誤差偏大的問題。選定齒輪齒條副模數(shù)m=5，齒條固定于機(jī)架上，齒輪裝配于電機(jī)減速機(jī)輸出軸上，隨小車行走。

小車行走軌道選用30×30方鋼，用內(nèi)六角螺釘固定于機(jī)架上。行走輪和軌道踏面淬火硬度HRC45～55。

電機(jī)減速機(jī)選型計(jì)算：（略）

根據(jù)計(jì)算，確定電機(jī)減速機(jī)的具體參數(shù)為：電機(jī)減速機(jī)直聯(lián)式。減速機(jī)為立式法蘭座，輸出扭矩≥20.1（N·m），減速比i＝1:45，輸出轉(zhuǎn)速31r/min。電機(jī)帶自鎖制動(dòng)器，可手動(dòng)釋放，功率N＝0.25kW。選用SEW 天津公司產(chǎn)品，型號(hào)為RF37R45DV80K4/BMG-0.25。

2.3 變頻升降裝置（見圖二）

升降裝置完成工件的提升和下降功能，下降到低位時(shí)夾緊裝置可抓取和放置工件，提升到高位時(shí)行走小車完成工件轉(zhuǎn)線、翻轉(zhuǎn)裝置完成翻轉(zhuǎn)和復(fù)位動(dòng)作。

升降裝置由變頻調(diào)速制動(dòng)電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)1 組滾珠絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)升降，用4組柱式線性導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)升降導(dǎo)向，最大升降行程325mm。

用滾珠絲杠螺母副作為升降裝置的傳動(dòng)部件，可使升降裝置動(dòng)作平穩(wěn)可靠，并可實(shí)現(xiàn)在任意位置的停止，從而為在不同高度上抓取和放置工件創(chuàng)造了先決條件，有利于減小整機(jī)調(diào)試的難度。滾珠絲杠螺母副的單螺母固定于升降車體上；絲杠上端通過圓錐滾子軸承限位于行走小車上，由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)螺母和升降車體作直線升降運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副采用標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件，選用臺(tái)灣HIWIN 產(chǎn)品，螺徑45mm，導(dǎo)程2×20mm，單螺母型號(hào)45-20K5，絲杠型號(hào)2R45-20B2。

升降導(dǎo)向裝置采用圓柱式線性滑軌，為標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件。導(dǎo)向套用螺栓固定于行走小車上，設(shè)有稀油潤(rùn)滑油杯，以保證導(dǎo)向桿的滑動(dòng)靈活性。導(dǎo)向桿規(guī)格選用φ40x900，調(diào)質(zhì)并研磨處理，導(dǎo)向桿可在滾珠式導(dǎo)向套中滑動(dòng)，其下端與夾緊裝置支承板螺接，上端加設(shè)限位法蘭盤。

電機(jī)減速機(jī)選型計(jì)算：（略）

根據(jù)以上計(jì)算，確定電機(jī)減速機(jī)的具體參數(shù)為：電機(jī)減速機(jī)直聯(lián)式。減速機(jī)為側(cè)法蘭座空心軸型式，輸出扭矩≥128.6（N·m），減速比i＝1:7.2，輸出轉(zhuǎn)速192r/min。電機(jī)帶自鎖制動(dòng)器，可手動(dòng)釋放，功率N＝0.55kW。選用SEW 天津公司的產(chǎn)品，型號(hào)為SAF47R112DV80K4/BMG/HF-0.55。

2.4 氣動(dòng)夾緊裝置（見圖三）

夾緊裝置用于夾緊和放開工件，由支承板、左右夾緊氣缸、左右夾緊臂和聯(lián)接板組成。

支承板螺接于升降裝置四根導(dǎo)向桿下端，隨導(dǎo)向桿升降。夾緊氣缸固定于支承板上平面上，為中間轉(zhuǎn)軸式，缸徑φ50，行程75mm（實(shí)際行程為50mm，行程預(yù)留25mm 左右以保持夾緊力穩(wěn)定），夾持力為780N。

左右夾緊臂的上端為左右兩組四輪滑車，滑車軌道固定于支承板的下平面上。滑車通過聯(lián)接板與夾緊氣缸聯(lián)接，由夾緊氣缸驅(qū)動(dòng)其往復(fù)行走，達(dá)到左右夾緊臂夾緊或松開工件的目的。

左右夾緊臂的下端分別為翻轉(zhuǎn)裝置的從動(dòng)爪和主動(dòng)爪。

2.5 變頻驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置（見圖三）

由從動(dòng)爪、主動(dòng)爪、電機(jī)減速機(jī)、傳動(dòng)鏈條組成，分別裝設(shè)于左右夾緊臂上。

從動(dòng)爪安裝于左夾緊臂下端，在夾緊工件時(shí)，隨工件的翻轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，當(dāng)松開工件時(shí)，利用拉簧自動(dòng)復(fù)位。主動(dòng)爪安裝于右夾緊臂下端，用來實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)。主動(dòng)爪、從動(dòng)爪的基體用45#鋼制作，與變速器殼體接觸部位鑲襯聚胺脂材料，其形狀按變速器殼體外形仿形制作。

不同外形的工件（變速箱）可配置1套仿形手爪。當(dāng)工件型號(hào)變更時(shí)，只需更換相應(yīng)的仿形手爪、調(diào)整位置編碼器的位置，最多40分鐘即可調(diào)整完畢。對(duì)于外表面平整光潔且重量小于50kg的工件，仿形手爪可替換為與夾緊動(dòng)作聯(lián)動(dòng)釋壓的吸盤式手爪。

右夾緊臂上裝有用于翻轉(zhuǎn)的電機(jī)減速機(jī)、鏈條鏈輪等傳動(dòng)組件。電機(jī)減速機(jī)通過鏈條鏈輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)爪旋轉(zhuǎn)完成工件的翻轉(zhuǎn)和主動(dòng)爪復(fù)位。傳動(dòng)鏈條上裝設(shè)位置可調(diào)的機(jī)械限位裝置，其具體位置在試產(chǎn)調(diào)試時(shí)確定。

電機(jī)減速機(jī)選型計(jì)算：（略）

根據(jù)以上計(jì)算，確定電機(jī)減速機(jī)的具體參數(shù)為：直聯(lián)式電機(jī)減速機(jī)。減速機(jī)為蝸輪蝸桿式，減速比i＝1:100，輸出轉(zhuǎn)速8r/min（即2880°/Min（48°/Sec））。電機(jī)帶自鎖制動(dòng)器，可手動(dòng)釋放，功率N＝120W。選用松下公司的150W蝸輪蝸桿式電機(jī)減速機(jī)。

2.6 PLC自動(dòng)控制及安全保護(hù)系統(tǒng)

自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手采用單獨(dú)PLC電控系統(tǒng)，并配置通訊接口，實(shí)現(xiàn)與裝配生產(chǎn)線或生產(chǎn)管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)交互，為企業(yè)預(yù)留自動(dòng)化生產(chǎn)管理水平升級(jí)空間。

a、機(jī)械手的行走、升降、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，均通過設(shè)定變頻控制器實(shí)現(xiàn)低速－高速－低速的自動(dòng)無級(jí)調(diào)速，解決了啟停慣性沖擊問題，使其動(dòng)作平滑、穩(wěn)定、可靠。采用編碼器進(jìn)行位置識(shí)別，一次定位精度和重復(fù)定位精度可達(dá)到±2mm。

b、機(jī)械手的夾緊采用雙作用式氣缸控制，選用24VDC 雙電控式換向閥，配合接近開關(guān)檢測(cè)夾緊臂狀態(tài)（夾緊位置或松開位置），確保其動(dòng)作平穩(wěn)柔和，不損傷工件。

c、氣源壓力監(jiān)測(cè)：用電接點(diǎn)壓力表監(jiān)測(cè)氣源壓力。壓力不足則氣缸夾緊力降低，會(huì)導(dǎo)致工件掉落，此時(shí)PLC發(fā)出停機(jī)指令并報(bào)警。

d、工件檢測(cè)：機(jī)械手夾緊臂上設(shè)置2 套光電開關(guān)，分別檢測(cè)機(jī)械手有無工件、工件姿態(tài)是否正確；主、輔線工位分別設(shè)置1 套光電開關(guān)，用于檢測(cè)各自工位有無工件。PLC 控制系統(tǒng)采集各工位、各裝置的狀態(tài)信號(hào)，驗(yàn)證判別后發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。如出現(xiàn)異常狀態(tài)，將停機(jī)并報(bào)警。

3 結(jié)語

這一簡(jiǎn)單實(shí)用的工件翻轉(zhuǎn)機(jī)械手具有以下優(yōu)點(diǎn)和用途：

（1）承載工件能力較強(qiáng)，額定負(fù)載100kg，最大負(fù)載150kg。可以滿足多種工件裝配要求。

（2）采用編碼器進(jìn)行位置識(shí)別時(shí)，各動(dòng)作的一次定位精度和重復(fù)定位精度可達(dá)到±2mm。

（3）上升、下降、翻轉(zhuǎn)過程中可在任意中間位置停止，動(dòng)作穩(wěn)定、可靠、柔和。

（4）可在40分鐘以內(nèi)更換仿形手爪，對(duì)工件外形的適應(yīng)能力較強(qiáng)。

（5）自動(dòng)化程度高，性價(jià)比高，安裝調(diào)試快捷，使用維護(hù)簡(jiǎn)便。

該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化銜接環(huán)節(jié)的核心配套設(shè)備之一，已成功應(yīng)用于長(zhǎng)城汽車股份公司的變速器裝配生產(chǎn)線中。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、家電、輕工等行業(yè)中的特殊工藝段中，具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。