立式軸承壓裝機上料機械手設計

龔青山,常治斌,任愛華,張光國

(湖北汽車工業學院機械工程系,湖北 十堰 442002)

隨著社會的發展,擁有高效率和高質量的自動化裝配線才能適應現代化進程的要求.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,以及對現有裝配線現場調研,設計出能實現自動上料的立式軸承壓裝機上料機械手,實現了上料自動化,使得勞動強度大大降低,生產效率得到很大提高.

1 技術要求與參數分析

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 立式軸承壓裝機結構簡圖

當變速箱中殼通過自動線導軌傳輸到該壓裝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 技術要求

設計要求如下:1)便于安裝和維護;2)為了實現多品種切換,機械手運動軌跡必須是可調節的;3)具有較高的可靠性和穩定性,同時還應具有較高的定位精度;4)機械手反應時間短.

2 機械手總體方案設計

目前工業中應用的機械手,都已經逐漸發展為工業機器人,大多由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置組成,是一種復雜的機電一體化的生產設備.而在本壓裝機中所使用的機械手由機械本體,伺服驅動(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參數和要求,機械手的結構設計主要分為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)、驅動機構、連接及支承元件組成,通過對手爪的開閉動作控制實現對工件的夾持,機械手手部結構如圖3所示[2,3].

圖3 手部結構圖

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的手爪5,使得手爪產生一定角度的旋轉,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.整個過程只產生空間平移運動,而不產生旋轉運動.機械手手部的機構運動簡圖如圖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.該手爪的設計優點是結構簡單,易于控制,在活動張角不大的情況下,能夠有效抓取零件,并產生足夠的夾緊力和足夠的強度剛度.

圖4 手部結構簡圖

2.2 主體部分的設計

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,該機械手只需產生1次平移運動和1次旋轉運動即可.故而平移運動也采用氣壓缸驅動控制,考慮到機械手可利用的空間有限,無法容納較多的零部件,因此旋轉運動采用了空間凸輪機構來完成,即根據運動軌跡在圓柱面上設計出曲線凹槽,使整個手部沿著該曲線凹槽運動(圖5)[2,3].

圖5 主體結構圖

當機械手夾取工件后,與支撐體相連的旋轉體依靠從圓柱凸輪機構,使得旋轉體帶動手部產生旋轉運動.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.該結構的優點是結構簡單,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動源.

3 機械手總體結構

該機械手安裝在立式壓裝機左側部位,實現自動上料的工作.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,所以在機械手結構設計時,需要考慮機械手在壓裝機工作臺的安裝尺寸,此外,導柱上導向槽的設計要使手部運動滿足送料的要求.因此機械手的結構設計要充分考慮安裝位置精度和導向結構要求.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 結束語

該結構設計中采用氣壓缸提供動力,運動平穩可靠,清潔無污染,同時機械手的運動軌跡通過空間凸輪機構實現,保證了送料的穩定高效.通過應用這種自動上料機械手,縮短了產品裝配的時間,提高勞動生產率,保證了產品裝配質量,實現了裝配線的自動化,為企業獲得更高的效益.

[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].機械設計與研究(增刊),2009,25:211-213.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2004.

[3]甘永立.幾何量公差與檢測[M].北京:高等教育出版社,2003.