齒輪自動甩油設備的結構設計

張玉修

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司， 遼寧 沈陽 110117）

0 引言

齒輪自動甩油設備是齒輪單元內自動化的一部分，需要與機器人對接，實現機器人自動上下料，因此要考慮兼容多種工件問題，各機構間的配合問題等，本文介紹機械部分的結構和選型，目的是能夠實現甩油臺的全自動甩油功能。

1 總體結構介紹

齒輪自動甩油設備除了考慮機器人對接，實現自動上下料外，還要兼容尺寸不同的工件， 達到自動夾緊，自動旋轉，自動開關門的功能， 根據功能需求，本次設計甩油臺包括以下幾部分：甩油臺框架，自動門組件，翻轉護罩組件和卡盤旋轉機構4 部分，見圖1。

圖1 甩油臺總體結構

2 甩油臺框架

甩油臺框架由上、中、下三部分組成，下部分是鋼管焊件，上部分是由鋁合金型材的玻璃框架組成，在甩油過程中起到防止油液噴濺的作用。 中間是隔板，定位翻轉護罩組件和卡盤旋轉機構，隔板上設計有排液孔，工件甩出的液體通過管子從甩油臺隔板底部排出。 下部是下部框架，裝有可調地腳，主要起到調節臺面高度、支撐和定位作用。

3 自動門組件結構

自動門組件主要防止在甩油過程中液體噴濺出設備外部， 并對工件由于夾持不好等原因可能存在甩出設備的安全隱患具有阻擋作用。 自動門的結構見圖2。

圖2 自動門組件

3.1 氣缸選型

根據自動門的質量11kg，選擇缸徑為40mm 的氣缸， 行程是1070mm，氣源在0.5MPa 下，根據公 式F=S×P=πR2*P=3.14×22×0.5×10=628N[1]。其中，F—作用在活塞上的壓力；S—活塞橫截面積；P—氣源壓力。 因此氣缸的輸出壓力為628N， 大于自動門的重力110N。

3.2 導軌選擇

選擇光軸導軌，在導軌平行度較差的情況下，有利于門組件在軌道上運行平順，避免出現卡滯、阻塞等現象。本次設計選擇導軌直徑為16mm，長度為2.25m，材料為鋁合金，表面處理本色陽極化。裝配流程是將四個滑塊安裝在導軌上，再將門框通過螺栓固定在四個滑塊上。

3.3 護罩翻轉機構

護罩翻轉機構在甩油時起到保護作用， 防止液體噴濺到甩油臺外部。由于空間布置有限，與伸縮氣缸連接的曲柄長度為60mm，而護罩的懸臂長為265mm，根據力矩平衡，需要更大的力克服護罩的重力才能將護罩翻轉，為了減輕重量，護罩選取鋁合金材料，表面安裝2mm 厚度的聚氨酯薄膜。

工作原理是氣缸伸出， 通過曲柄拉動護罩落下到水平狀態，甩油完成后，氣缸推動曲柄使護罩旋轉到豎直狀態。護罩以及連接件的重力是120N，懸臂長265mm，可得力矩為M=F×L=120×265=31800N·mm， 其中，M—護罩的力矩；F—護罩的重力；L—護罩的懸臂長。選用缸徑50 的氣缸在0.5MPa 時的推力為F=S×P=πR2×P=982N， 可得力矩為M=F×L=60×982=58920N·mm，大于護罩及其連接件的力矩31800N·mm。 護罩翻轉機構見圖3。

圖3 護罩翻轉機構

4 卡盤旋轉機構

卡盤旋轉機構是甩油設備的核心部件，用于實現對工件的夾取和旋轉功能， 包括電機，同步帶，回轉氣缸，氣動卡盤以及夾指等結構，以下介紹各部件的選型過程：

4.1 電機選型

電機為負載提供旋轉動力， 負載除了包括齒輪工件外，還有同步帶，同步帶輪，回轉氣缸和氣動卡盤。負載總質量M 為68kg，旋轉半徑R=0.25m，其中，TL—負載轉矩；ML—負載質量；R—旋轉半徑[2]。當前選取扭矩為2.55Nm，轉動慣量為26kg·cm2，機座號為90L 的電機進行以下試算：

求得n=347（r/min），即當n≤347r/min 時可以起動負載。

上式中：TL-M—折算到電機側的負載轉矩；TM—電機轉矩；P—選型電機的功率；R減—減速比， 本次設計比值為3；η—同步帶效率；n—被動帶輪轉速；V—負載旋轉線速度；R—負載半徑。

4.2 同步齒形帶選型

選擇高扭矩同步齒形帶，齒距為8mm，周長為960mm，齒數為120，背面和吃面保護層材質為氯丁橡膠，芯線材質為玻璃纖維，底布材質為尼龍織布。電機側主動輪齒數為24，負載側被動輪齒數為72。 本次設計選擇免鍵同步帶輪與普通帶輪相比具有安裝方便，對軸損傷小，具有過載保護功能等優點。

4.3 回轉氣缸選型

回轉氣缸是為卡盤夾緊或松開工件提供動力， 氣缸底部有回轉接頭，可實現氣管輸入端保持靜止狀態，回轉接頭上方氣缸與卡盤同步旋轉， 為卡盤在旋轉時提供夾緊工件的動力［3］。 本次設計選擇活塞行程20mm，最大推拉力15.4kN，極限轉速3500r/min。

4.4 氣動卡盤選型

由于不同種工件直徑不同， 為了適應機器人自動上下料，要考慮一個設備兼容不同種工件的問題，因此選擇了連桿式控制夾爪開閉的較大行程的卡盤， 單邊行程可達16mm，最大轉速3000r/min，最大夾持力17.5kN。

4.5 夾指設計

為了適應不同盤齒輪內徑的變化，設計了階梯夾指，對于內徑小的齒輪， 使用上部的階梯夾指， 對于內徑大的齒輪，則落到了下部的階梯夾指。實現了不同尺寸工件的兼容性。 卡盤旋轉機構見圖4。

圖4 卡盤旋轉機構

5 結論

以上是甩油臺機械結結合工件特點和用戶需求，也要考慮零件加工，裝配工藝等， 才能使甩油臺按照用戶的需求運行，達到齒輪自動化甩油的要求。 其中的氣動元件結構設計、氣缸選型，電機的型號選擇計算， 傳動部件的受力計算等是設計的重點，另外與機器人對接的空間開敞性問題，兼容多種工件的問題也需要綜合考慮。