一種簡單實用的工件翻轉機械手
——用于汽車部件裝配生產線

楊銀青

（華勘局五一四隊華通自動化工程公司 承德 067000）

對設備裝配生產線的制造廠家而言，翻轉機械手是實現特殊裝配工藝自動化的核心配套設備之一，在汽車、家電、輕工等工業行業的裝配線中應用廣泛。本文的翻轉機械手應用于汽車制造行業的變速器、發動機等部件裝配線中。

1 翻轉機械手工藝流程

本文所述翻轉機械手屬于簡易的三維直線運動型，按照用戶提出的生產工藝要求，翻轉機械手具體動作過程見圖1。

（1）取件位高位、張開狀態等待取件信號→（2）工件到位時夾緊臂下降→（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）旋轉爪將工件垂直翻轉90°→（7）輔裝配線工裝到位并停止時，夾緊臂下降→（8）夾緊臂松開工件→（9）夾緊臂上升→（10）旋轉爪復位→（11）慢速—快速—慢速返回到取件位→（12）等待取件信號。

2 翻轉機械手主要部件的設計

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

2.1 四柱機架

主機架外形尺寸：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，現場螺接方式組裝。與主輔裝配線聯調后，用膨脹螺栓固定于地面上。

2.2 變頻行走小車（見圖二）

行走小車是機械手的承載部件，完成工件在主、輔生產線之間的轉線功能。

行走小車由變頻調速制動電機減速機驅動齒輪齒條副來實現其往復行走，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m=5，齒條固定于機架上，齒輪裝配于電機減速機輸出軸上，隨小車行走。

小車行走軌道選用30×30方鋼，用內六角螺釘固定于機架上。行走輪和軌道踏面淬火硬度HRC45～55。

電機減速機選型計算：（略）

根據計算，確定電機減速機的具體參數為：電機減速機直聯式。減速機為立式法蘭座，輸出扭矩≥20.1（N·m），減速比i＝1:45，輸出轉速31r/min。電機帶自鎖制動器，可手動釋放，功率N＝0.25kW。選用SEW 天津公司產品，型號為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，下降到低位時夾緊裝置可抓取和放置工件，提升到高位時行走小車完成工件轉線、翻轉裝置完成翻轉和復位動作。

升降裝置由變頻調速制動電機減速機驅動1 組滾珠絲杠螺母副實現升降，用4組柱式線性導向裝置實現升降導向，最大升降行程325mm。

用滾珠絲杠螺母副作為升降裝置的傳動部件，可使升降裝置動作平穩可靠，并可實現在任意位置的停止，從而為在不同高度上抓取和放置工件創造了先決條件，有利于減小整機調試的難度。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，由減速機驅動其旋轉，進而帶動螺母和升降車體作直線升降運動。滾珠絲杠螺母副采用標準外購件，選用臺灣HIWIN 產品，螺徑45mm，導程2×20mm，單螺母型號45-20K5，絲杠型號2R45-20B2。

升降導向裝置采用圓柱式線性滑軌，為標準外購件。導向套用螺栓固定于行走小車上，設有稀油潤滑油杯，以保證導向桿的滑動靈活性。導向桿規格選用φ40x900，調質并研磨處理，導向桿可在滾珠式導向套中滑動，其下端與夾緊裝置支承板螺接，上端加設限位法蘭盤。

電機減速機選型計算：（略）

根據以上計算，確定電機減速機的具體參數為：電機減速機直聯式。減速機為側法蘭座空心軸型式，輸出扭矩≥128.6（N·m），減速比i＝1:7.2，輸出轉速192r/min。電機帶自鎖制動器，可手動釋放，功率N＝0.55kW。選用SEW 天津公司的產品，型號為SAF47R112DV80K4/BMG/HF-0.55。

2.4 氣動夾緊裝置（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、左右夾緊臂和聯接板組成。

支承板螺接于升降裝置四根導向桿下端，隨導向桿升降。夾緊氣缸固定于支承板上平面上，為中間轉軸式，缸徑φ50，行程75mm（實際行程為50mm，行程預留25mm 左右以保持夾緊力穩定），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?；囃ㄟ^聯接板與夾緊氣缸聯接，由夾緊氣缸驅動其往復行走，達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裝置的從動爪和主動爪。

2.5 變頻驅動翻轉裝置（見圖三）

由從動爪、主動爪、電機減速機、傳動鏈條組成，分別裝設于左右夾緊臂上。

從動爪安裝于左夾緊臂下端，在夾緊工件時，隨工件的翻轉而旋轉，當松開工件時，利用拉簧自動復位。主動爪安裝于右夾緊臂下端，用來實現工件的翻轉。主動爪、從動爪的基體用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。當工件型號變更時，只需更換相應的仿形手爪、調整位置編碼器的位置，最多40分鐘即可調整完畢。對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作聯動釋壓的吸盤式手爪。

右夾緊臂上裝有用于翻轉的電機減速機、鏈條鏈輪等傳動組件。電機減速機通過鏈條鏈輪驅動主動爪旋轉完成工件的翻轉和主動爪復位。傳動鏈條上裝設位置可調的機械限位裝置，其具體位置在試產調試時確定。

電機減速機選型計算：（略）

根據以上計算，確定電機減速機的具體參數為：直聯式電機減速機。減速機為蝸輪蝸桿式，減速比i＝1:100，輸出轉速8r/min（即2880°/Min（48°/Sec））。電機帶自鎖制動器，可手動釋放，功率N＝120W。選用松下公司的150W蝸輪蝸桿式電機減速機。

2.6 PLC自動控制及安全保護系統

自動翻轉機械手采用單獨PLC電控系統，并配置通訊接口，實現與裝配生產線或生產管理系統的聯網交互，為企業預留自動化生產管理水平升級空間。

a、機械手的行走、升降、翻轉動作，均通過設定變頻控制器實現低速－高速－低速的自動無級調速，解決了啟停慣性沖擊問題，使其動作平滑、穩定、可靠。采用編碼器進行位置識別，一次定位精度和重復定位精度可達到±2mm。

b、機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，配合接近開關檢測夾緊臂狀態（夾緊位置或松開位置），確保其動作平穩柔和，不損傷工件。

c、氣源壓力監測：用電接點壓力表監測氣源壓力。壓力不足則氣缸夾緊力降低，會導致工件掉落，此時PLC發出停機指令并報警。

d、工件檢測：機械手夾緊臂上設置2 套光電開關，分別檢測機械手有無工件、工件姿態是否正確；主、輔線工位分別設置1 套光電開關，用于檢測各自工位有無工件。PLC 控制系統采集各工位、各裝置的狀態信號，驗證判別后發出相應的動作指令。如出現異常狀態，將停機并報警。

3 結語

這一簡單實用的工件翻轉機械手具有以下優點和用途：

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

（2）采用編碼器進行位置識別時，各動作的一次定位精度和重復定位精度可達到±2mm。

（3）上升、下降、翻轉過程中可在任意中間位置停止，動作穩定、可靠、柔和。

（4）可在40分鐘以內更換仿形手爪，對工件外形的適應能力較強。

（5）自動化程度高，性價比高，安裝調試快捷，使用維護簡便。

該翻轉機械手作為工業生產工藝自動化銜接環節的核心配套設備之一，已成功應用于長城汽車股份公司的變速器裝配生產線中。該產品可廣泛應用于汽車工業、倉儲物流、家電、輕工等行業中的特殊工藝段中，具有較好的市場推廣價值。