電子眼珠殼體類零件典型夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱逸忠

(東莞市技師學(xué)院，廣東東莞 523460)

0 前言

隨著智能化、自動(dòng)化、模塊化生產(chǎn)模式的廣泛應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品制造工藝和工藝裝備等提出了更高的要求。同時(shí)，生產(chǎn)制造過程中要保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，必須選用自動(dòng)化程度高、能批量生產(chǎn)的工藝裝備輔助完成產(chǎn)品制造[1]。根據(jù)以上需求，結(jié)合電子眼珠殼體零件加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的氣壓控制裝料機(jī)械手和液壓控制夾具，不僅可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、模塊化生產(chǎn)，而且能大幅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[2]。

1 電子眼珠殼體零件分析

圖1所示為人工智能機(jī)器人電子眼珠殼體零件，它是眼珠視覺識(shí)別系統(tǒng)的重要零部件之一，材料為鈦合金TA2G，硬度在250～350HV。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為特別：最大直徑φ15 mm、最小壁薄0.5 mm、最小槽寬0.6 mm、最小公差0.05 mm，加工難度較大，尤其是精加工時(shí)裝夾難度大。根據(jù)零件圖紙及加工工藝分析，可知工件切除量較大，型腔臺(tái)階寬度和深度均小于1 mm，外形結(jié)構(gòu)為橢圓曲面，工件裝夾時(shí)夾緊力不易控制，工件容易變形，加工難度較大，因此以型腔橢圓柱面定位夾緊為該夾具設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

圖1 電子眼珠殼體零件與1角硬幣大小對(duì)比

經(jīng)過反復(fù)研究加工工藝、加工難點(diǎn)、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率，為保證加工零件尺寸精度符合技術(shù)要求且能批量生產(chǎn)以提高加工效率，應(yīng)設(shè)計(jì)批量生產(chǎn)的氣壓或液壓夾具[3]。因此，設(shè)計(jì)用于加工該零件的氣動(dòng)機(jī)械手裝卸工件、液壓夾具裝夾毛坯等夾具系統(tǒng)[4-5]。

2 氣動(dòng)夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)及其工作過程

該機(jī)械手氣動(dòng)夾具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示、產(chǎn)品如圖3所示。該夾具主要是由氣缸、機(jī)械手、夾具板、氣壓控制系統(tǒng)組成，機(jī)械手和夾具體都是通過氣缸傳遞能量[6]。該機(jī)械手氣動(dòng)夾具的工作過程[7]主要是通過兩個(gè)63氣缸1將推力傳遞給機(jī)械臂2，機(jī)械臂2在受到氣缸1的推力后作垂直向上和向下的動(dòng)作，當(dāng)機(jī)械臂2處于水平狀態(tài)后，在氣缸的推動(dòng)下，機(jī)械手3水平向右移動(dòng)，在氣缸5的推動(dòng)下，機(jī)械手3夾持住夾具板4，在氣缸6的作用下夾具板4夾緊工件，反之松開工件。機(jī)械手氣動(dòng)夾具的這一完整工作過程主要是在氣缸的壓力推動(dòng)下完成的，因此該夾具的設(shè)計(jì)核心是氣缸的選用與確定。

圖2 機(jī)械手氣動(dòng)夾具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 機(jī)械手氣動(dòng)夾具

2.2 機(jī)械手氣動(dòng)夾具系統(tǒng)原理

根據(jù)機(jī)械手氣動(dòng)夾具的工作過程，機(jī)械手要完成所有功能需要機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、伸縮、夾緊與松開3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷及用途，確定機(jī)械手通過電控方式，采用單活塞桿雙作用氣缸實(shí)現(xiàn)功能。機(jī)械手夾具系統(tǒng)氣壓控制回路原理見圖4。

如圖4所示，機(jī)械手氣動(dòng)夾具系統(tǒng)運(yùn)作順序[8]：B+ →A+ →C+→ D-→D+ →C-→A-→B-。啟動(dòng)氣缸B，機(jī)械臂伸出，觸發(fā)B+磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止；啟動(dòng)氣缸A，機(jī)械臂伸出呈水平位置，觸發(fā)A+磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止；啟動(dòng)氣缸C，機(jī)械手伸出到達(dá)裝夾位置，觸發(fā)C+磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止；啟動(dòng)氣缸D，氣缸D縮回，觸發(fā)D-磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止，夾具板松開工件毛坯；啟動(dòng)氣缸D，氣缸D觸發(fā)D+磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止，夾具板夾緊機(jī)床上已做好的工件；啟動(dòng)氣缸C，氣缸C縮回，觸發(fā)C-磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止；啟動(dòng)氣缸A，氣缸A縮回，機(jī)械手呈垂直狀態(tài)，觸發(fā)A-磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止；啟動(dòng)氣缸B，氣缸B縮回，觸發(fā)B-磁感應(yīng)接近開關(guān)后停止。

圖4 機(jī)械手夾具系統(tǒng)氣壓控制回路原理

2.3 機(jī)械手氣動(dòng)夾具參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 執(zhí)行元件的選擇

(1)執(zhí)行元件類型。在裝卸工件過程中，機(jī)械手臂需要作垂直向上和向下動(dòng)作，向上需要?dú)鈩?dòng)增壓動(dòng)作，向下可以直接依靠重力及氣動(dòng)減壓動(dòng)作。在執(zhí)行過程中為保證動(dòng)作平穩(wěn)，可以采用兩段緩沖的單活塞桿雙作用氣缸。因此，機(jī)械手臂選擇執(zhí)行元件為兩條標(biāo)準(zhǔn)緩沖型、尾部鉸接式氣缸。由于裝卸工件動(dòng)作簡(jiǎn)單、工作壓力小，機(jī)械手系統(tǒng)夾具均采用單活塞桿雙作用氣缸作為執(zhí)行元件。

(3)氣缸行程計(jì)算。可以根據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡確定氣缸的行程大小。為保證機(jī)械手進(jìn)出機(jī)床的安全距離，實(shí)際工作中氣缸的行程應(yīng)根據(jù)機(jī)械手水平高度對(duì)應(yīng)機(jī)床裝夾水平高度確定。機(jī)械臂垂直向上和向下時(shí)，氣缸被壓縮的行程即為氣缸的行程。如圖5所示，氣缸A固定于機(jī)座(OA)和機(jī)械臂(OB、OC)上，始終繞機(jī)械臂固定圓點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為圓OBOC。如圖2所示，當(dāng)機(jī)械臂水平時(shí)，氣缸A為被壓縮狀態(tài)，s1等于此時(shí)氣缸行程619.75 mm；當(dāng)機(jī)械臂垂直向上時(shí)，氣缸A處于空載狀態(tài),s2等于此時(shí)氣缸行程419.79 mm，所以氣缸A行程s′=s1-s2=199.96 mm。為防止活塞和缸蓋發(fā)生碰撞，一般不選用滿行程，查表取標(biāo)準(zhǔn)值s=250 mm。

圖5 A氣缸運(yùn)動(dòng)軌跡及行程s

綜上所述，氣缸A選用缸徑D=63 mm，行程s=250 mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9]中的表22.4-27，選擇ISO標(biāo)準(zhǔn)系列10A-5CC63B250AB的氣缸。

2.3.2 主要控制元件的選擇

根據(jù)工作載荷對(duì)控制元件工作壓力及流量的要求，為保證機(jī)械手在工作環(huán)境中的定位精度、位置精度、方向控制以及速度控制，采用非接觸式位置傳感器、電磁換向閥、節(jié)流閥，分別控制行程、運(yùn)動(dòng)方向、速度。為保證位置檢測(cè)時(shí)不會(huì)磨損和損傷檢測(cè)對(duì)象，且保證快速響應(yīng)，選擇非接觸式位置傳感器為磁感應(yīng)接近開關(guān)。

(1)換向閥：pA=0.3 MPa，則氣缸A耗氣量為:

(2)減壓閥。根據(jù)系統(tǒng)所需要的壓力、流量，同時(shí)考慮所有氣缸因聯(lián)鎖關(guān)系不會(huì)同時(shí)工作的特點(diǎn)，按其中流量和壓力消耗最大的氣缸選擇減壓閥[10]。由供氣壓力0～0.7 MPa、額定流量1.388 9×10-3m3/s，查表22.5-2 選取減壓閥型號(hào)AR2500-02。

3 液壓夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

分析該產(chǎn)品加工工藝及加工難度，可知應(yīng)使用四軸及以上機(jī)床加工該產(chǎn)品才能符合其精度要求。為降低設(shè)備成本及提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)一種較通用的四軸液壓夾具加工該產(chǎn)品，如圖6所示為四軸液壓夾具系統(tǒng)[11-13]。該夾具系統(tǒng)由四軸分度轉(zhuǎn)盤、液壓站、液壓缸、夾具體組成，夾具體和液壓缸裝配好后，通過法蘭將它安裝到四軸分度盤上。如圖7所示，液壓缸產(chǎn)生壓力，推動(dòng)夾具上的單作用液壓缸實(shí)現(xiàn)零件的裝夾，反之則松開。液壓油通過進(jìn)油口1進(jìn)油口輸入，油液進(jìn)入5個(gè)液壓缸，在液壓油推力作用下，活塞桿6向下運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧7；彈簧被壓縮后夾具體4上下表面在液壓缸8和活塞6、螺釘3作用下被夾緊，圖8為裝夾產(chǎn)品示意。當(dāng)液壓油失去壓力后，彈簧恢復(fù)松弛狀態(tài)，夾具體松開工件。

圖6 四軸液壓夾具系統(tǒng)

圖7 液壓夾具體裝夾工件設(shè)計(jì)

圖8 裝夾產(chǎn)品及夾具局部示意

液壓夾具的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)同機(jī)械手氣動(dòng)夾具系統(tǒng)原理、參數(shù)設(shè)計(jì)類似，此處不再贅述。該液壓夾具的設(shè)計(jì)綜合考慮了加工環(huán)境和工作要求，其中有幾個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)夾具在工作中起到了重要的作用：(1)夾具體4上表面的圓形溝槽2的作用是降低夾具體上表面夾緊部位的應(yīng)力集中，使得上表面在動(dòng)作時(shí)更易被液壓缸壓縮夾緊；(2)工件在定位面上設(shè)計(jì)成與產(chǎn)品型腔結(jié)構(gòu)嚙合裝夾面，不僅可以起到定位的作用，而且可以有效降低工件振動(dòng)；(3)工件定位部位的通孔5的作用是方便排出鐵屑;(4)工件裝夾部位半圓槽的作用是當(dāng)?shù)毒咴诩庸すぜ砻娴膱A槽時(shí)，避免與夾具發(fā)生干涉，有效地起到了避空的作用。

4 夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)裝料機(jī)械手夾具系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意以下兩個(gè)問題：(1)氣缸A、B為并聯(lián)關(guān)系，因此要考慮同步的問題，如：回路中使用調(diào)速閥或者節(jié)流閥調(diào)整同步；采用位置傳感器測(cè)量行程位置并通過電氣系統(tǒng)控制氣缸同步等；(2)機(jī)械手在工作過程中必須保持穩(wěn)定供氣，以配合閥門的機(jī)械限位來達(dá)到特殊的控制要求，因此在控制設(shè)計(jì)時(shí)選取三位五通電磁閥，斷電后保持在上部用中封保持。

在設(shè)計(jì)液壓夾具裝夾部位時(shí)，不僅要考慮產(chǎn)品加工精度，還要考慮產(chǎn)品在加工過程中出現(xiàn)振動(dòng)、變形、加工環(huán)境干涉等現(xiàn)象。例如，可在液壓回路中設(shè)計(jì)夾緊力可調(diào)裝置和壓力監(jiān)測(cè)表，設(shè)計(jì)夾具結(jié)構(gòu)要避免裝夾時(shí)應(yīng)力集中和排屑流暢等影響加工精度的因素。

5 總結(jié)

該電子眼珠殼體類零件典型夾具系統(tǒng)已投入實(shí)際生產(chǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，該夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易維護(hù)、自動(dòng)化程度高，具有批量生產(chǎn)和次品率低等優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)不僅解決了批量生產(chǎn)問題，而且降低了制造成本，并提高了生產(chǎn)效率，符合生產(chǎn)實(shí)際要求，可推廣應(yīng)用于類似產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。