電鍍機器人抖振器設計與實現

摘 要: 電鍍工作壞境惡劣，人工完成作業會影響工作效率，而且對工作人員身體健康有很大危害。為了改善工作條件，工業機器人廣泛被應用于電鍍。本文作者設計了一種用于電鍍的工業機器人，主要完成在電鍍槽池中的裝料和卸料，夾持在電解液中的零件，以及在完成金屬鍍層循環之后抖動零件，清除電鍍液的工作任務。為清除零件上附著的電鍍液，作者設計了一種機械式專用抖振器。

關鍵詞: 電鍍工業機器人 機械系統設計 抖振器

1.電鍍概述

電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積，形成鍍層的一種表面加工方法。鍍層性能不同于基體金屬，具有新的特征。鍍層根據功能可分為防護性鍍層、裝飾性鍍層及其它功能性鍍層。電鍍工作壞境惡劣，人工完成作業會影響工作效率，而且對工作人員身體健康有很大危害，為了改善工作條件，電鍍工業機器人在生產中被廣泛應用。

2.電鍍機器人機械系統設計

2.1機械設計的原則與方式方法

機械系統總體設計是機械設計過程中極其重要的一步，對機械的性能、尺寸、外形、質量與生產成本具有重大的影響。總體設計應盡可能考慮人機關系、環境條件，以及與加工裝配、運行管理系統等的聯系，使機械系統與外部系統協調和適應，以求設計更加完善。機械系統的總體設計主要包括:總體方案的設計、總體布置的設計、主要參數的確定等內容。機械設計的基本要求:滿足社會需求;可靠性的要求;經濟性要求;安全性要求。本文針對電鍍掛件零件進行了設計。

2.2水平移動系統設計

如圖1操作機運動示意圖所示:所有操作機的組成單元固定在由鋁合金澆鑄而成的平臺上，自動操作機在四個輪子的驅動下沿導軌橫梁移動:主動輪由雙速電動機和蝸輪減速器驅動，用聯軸器—圓盤連接，制動器對聯軸器進行制動，雙速電動機保證操作機高、低兩種速度，從高速度過渡到低速度和停止運動由程序指令裝置控制，位置的控制由非接觸式行程開關和擋塊進行控制。當操作機與障礙物相碰時，帶傳感器的緊急停車裝置動作，傳感器斷開，雙速電機接通制動器，使水平移動停止。

2.3提升裝置系統設計

如圖1操作機運動示意圖所示:負載提升機構由帶載重鏈的鏈輪和相互鉸接的杠桿系統所組成，在杠桿上部以扇形齒輪結尾，在下部以齒輪結尾，它們相互嚙合，保證位置的準確性。齒輪和杠桿的下端剛性連接在軸承中旋轉的軸上，軸承都裝在機體上，以齒輪和扇形齒輪結尾的杠桿系統促使橫梁和夾持器向上和向下平行運動。為使夾持器在上、中、下三位置準確停止，采用停止機構，利用無觸點行程開關進行控制。零件上附著電鍍液由抖振器機構進行清除。

2.4抖振器設計

2.4.1抖振器工作原理

2.4.1.1鏈傳動設計

鏈傳動的特點和應用:鏈傳動由裝在平行軸上的主、從動鏈輪和繞在鏈輪上的環形鏈條所組成，以鏈作中間撓性件，靠鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞動力。鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，能保持準確的平均傳動比;需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失;結構緊湊;能在溫度較高、有油污等惡劣環境條件下工作。鏈傳動的運動分析:實際上，由于鏈傳動為多邊形效應，瞬時鏈速和瞬時傳動比都是變化的。

2.4.1.2鏈傳動的張緊布置

鏈傳動中如松邊垂度過大，將引起嚙合不良和鏈條振動，所以鏈傳動張緊的目的和帶傳動不同，張緊力并不決定鏈的工作能力，而只是決定垂度的大小。

張緊的方法很多，最常見的是移動鏈輪以增大兩輪的中心矩。但如中心距不可調時，也可以采用張緊輪張緊(如圖2鏈傳動的裝緊裝置)，張緊輪應裝在靠近主動鏈輪的松邊上。不論是帶齒的還是不帶齒的張緊輪，其分度圓直徑最好與小鏈輪的分度圓直徑相近。

2.4.1.3凸輪機構的應用

凸輪機構的組成:凸輪機構一般由凸輪、從動件和機架三個構件組成。其中凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動。

凸輪機構的優點是:只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便。凸輪機構的缺點是:凸輪與從動件間為點或線接觸，易磨損，只宜用于傳力不大的場合;凸輪輪廓精度要求較高，需用數控機床進行加工;從動件的行程不能過大，否則會使凸輪變得笨重。

查閱機械設計資料，由凸輪機構從動件位移線圖可知，隨著凸輪的循環周期轉動，從動件的位移、速度都隨之變化，利用此特征，可設計凸輪式的抖振器鏈輪花盤。

2.4.2抖振器設計

由圖3抖振器裝置示意圖可見，在抖振器機體中安置鏈輪1和花盤2，在花盤2中有兩個在自身軸上自由旋轉的凸輪3。此外，在機體上裝有在自身軸上擺動的杠桿4。在杠桿上端固定滾輪5，而在下端固定鏈輪6，與鏈條保持嚙合。

在鏈輪1按逆時針方向旋轉時，提升負載。凸輪3在鏈輪每轉中兩次干擾鏈條的均勻運動，因此負載有時迎著鏈條運動方向自由下落，然后突然停止，速度發生突變從而產生負載的抖動。

在鏈輪1按順時針方向旋轉，負載下降時，凸輪3的非工作表面與滾輪5相接觸，被它放置在花盤腔中，鏈條不在引開方向，速度保持基本恒定，則負載將不再產生抖動。從而實現在提升負載時抖動清除零件附著電鍍液，下降時不發生抖動，保持勻速。

2.4.3抖振器鏈輪(花盤配置)與鏈條設計計算

選用鏈條:鏈號08A;節距p=12.7mm;滾子直徑d=7.92mm。

鏈輪基本參數和主要尺寸如下:

鏈輪齒數z:z=38;配用鏈條的節距p:p=12.7mm;

配用鏈條的滾子外徑d:d=7.92mm;配用鏈條的排距p:p=2。

鏈輪主要尺寸如圖4所示:

(1)分度圓直徑d

d===158.75≈160mm (1)。

(2) 齒頂圓直徑d

d=d+1.25p-d=160+1.25×12.7-7.92=167.9mm (2)，

d=d+(1-)p-d=160+(1-)×12.7-7.92=164.2mm，

最終選取d=165mm。

(3)齒根圓直徑d

d=d-d=160-7.92=152.08≈152mm (3)。

(4)分度圓弦齒高h

h=(0.625+)p-0.5d=(0.625+)×12.7-0.5×7.92=4.24mm (4)，

h=0.5(p-d)=0.5(p-d)=0.5×(12.7-9.2)=2.39mm。

最終選取h=3.5mm。

(5)齒側凸緣(或排間槽)直徑d

d≤pcot-1.04h-0.76

=12.7×10-1.04×3.5-0.76=124.14mm≈125.0mm (5)。

根據鏈輪基本參數和主要尺寸對鏈輪結構尺寸、軸面齒廓尺寸進行設計計算，經校核滿足使用要求。

起重鏈鏈條經計算選用鏈號08A;節距p=12.7;滾子直徑d=7.92mm，查表得雙排抗拉載荷Q為27.6kN，經校核鏈條滿足工作要求。

3.結語

在電鍍生產中要大量使用強酸、強堿、鹽類和有機溶劑等化學藥品，在作業過程中會散發出大量有毒有害氣體，給工作人員的身體健康帶來巨大危害。隨著工業機器人的飛速發展，電鍍專用機器人必將在工業生產中得到推廣普及。電鍍工段的全面自動化流水線工作毫無疑問成為電鍍工業最重要的發展方向。隨著自動生產線和柔性制造系統技術的發展，它會越來越成熟，其潛力無限。

參考文獻:

[1]張允誠，向榮.電鍍手冊(第3版).北京:國防工業出版社，2004.

[2]任廣軍.電鍍原理與工藝.沈陽:東北大學出版社，2001.

[3]成大先.機械設計手冊.北京:化學工業出版社，2005.

[4]卜炎.機械傳動裝置設計手冊.北京:機械工業出版社，2001.

[5]美Gordon Macomb.機器人設計與實現.北京:科學出版社，1980.

[6]Daniel E.Whitney and Olivier L.Gilbert，Representation of geometric variations using matrix transforms for statistical tolerance analysis in assemblies.Proceedings of International Conference on Robotics and Automation，1993，314-321.