一種芯體定位裝配及運送裝置的設計

周 浩，盧劍鋒，田紫鋒，潘文見

(貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

自動化機械工作效率高，減輕了工人的勞動強度，在大部分領域得到廣泛應用。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高[1]。現在大部分的零件供送都運用到機械手結構，而XYZ直角坐標機械手是現在軸類芯體供送最常用的，因其可精確定位，一般用在高速高精度的工作環境，用來重復搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當然也可以[2]。在制造方面，它制造成本相當的低，它系統結構簡單，只有控制系統、驅動系統、機械系統和操作工具。使用靈活，功能多，根據操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿摺⑺俣瓤臁⒕雀撸梢源嫒斯?，提高生產效率，穩定產品質量。它可以24小時在高溫等惡劣環境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便[3]。

零件供送裝配裝置在工業社會中起到的應用情況很大程度上反映一個國家工業機械化發展水平，而我國對工業芯體供送機械手的應用規模和產業化水平相對較低，芯體供送裝置的研究和開發從根本上會直接影響到我國自動化生產水平，故從經濟、技術上都需要提高軸類芯體供送裝置的水平。因此，芯體供送裝置的研究設計是非常有現實意義和發展空間的。

1 自動供送裝配裝置國內外發展現狀

由于我國經濟起步晚，在軸類芯體供送裝置行業我國和其他國家相比是發展較晚的國家，軸類芯體供送裝置行業前期的發展比較緩慢，這也是時代大背景造成的，使得我國的軸類芯體供送裝置的發展處于下風，國外的大量軸類芯體供送裝置都在涌入中國市場，國內軸類芯體供送裝置生產商家基本上被動學習與模仿相關技術，沒有掌握重要的技術?，F國內在軸類芯體供送裝置的技術一直在完善和提高，設備在不斷升級，已經能夠滿足市場上的很大一部分的需求和要求，但是還存在效率偏低、體積偏大等問題[4-6]。

在軸類芯體供送裝置設備方面，美國、德國、日本、意大利和德國的制造水平相對較高，呈現出一種新的趨勢：它們是靈活度高，定位準確，能夠將軸類芯體快速定位并運送到指定的裝配位置；能夠多自由度的定位和運送軸類芯體。在外國，軸類芯體自動化的供送領域發展很快，從早期的人工供送，到三軸機械手供送再到最后的多自由度供送，發展迅速，在物體供送、抓取、裝配等行業向著靈活度高、效率高的方向發展，但是目前國外對于模塊化的自動供送裝置的設計很少[7-8]。

2 方案設計

如圖1所示，芯體定位裝配及運送裝置應用于芯體(及模具)的初始位置已經確定的情況下。本設計主要通過控制各伺服電機的轉動的圈數和轉動的先后順序來完成芯體的供送。

圖1 芯體供送裝置總體布局圖

剛開始由芯體裝配裝置1對芯體與模具進行定位與裝配，然后裝盤機械爪3將芯體(及模具)抓取后，通過XYZ方向運送裝置4移動將芯體(及模具)定位卸載在載盤2進行初始運送，裝滿載盤2后(16個)，載盤2通過轉盤5旋轉然后由卸盤機械爪8將芯體(及模具)抓取后通過X1Y1Z1方向運送裝置6移動將芯體(及模具)定位卸載在X方向運送裝置9進行最終運送，芯體(及模具)到裝配的位置后，這樣就完成一次完整的工藝流程。一個龍門架7上分別固定了XYZ方向運送裝置4和X1Y1Z1方向運送裝置6，解決了現有自動供送裝置體積大的問題。且利用裝盤機械手3與卸盤機械手8同時運作，解決了現有自動供送裝置效率低的問題。設計了專用夾具和芯體裝配裝置1，以此來提高本設計運送芯體的精確度和效率。

2.1 芯體裝夾模具和載盤設計

在芯體供送之前需要通過芯體裝配裝置來定位和夾緊芯體，而芯體(及模具)需要載盤來定位。這樣可以為后續的芯體供送和芯體的裝配提高效率和準確性。

如圖2所示，芯體的裝夾模具的結構由擋盤1、滑動底板3上分別的兩個通孔與兩個導向桿4相配合而兩個彈簧5又與兩個導向桿4相配合，最后再由兩個鎖緊螺母8限制滑動底板3與擋盤1的最大距離就構成了裝夾模具。

圖2 芯體裝夾模具和載盤結構簡圖

芯體的裝夾過程：剛開始由機械爪將芯體區分方向，然后用圖3的芯體裝配裝置進行模具的定位與芯體裝配，圖3中的底面2限制了模具5的3個自由度，側擋面6限制了模具5的2個自由度，前擋面3限制了模具5的一個自由度，雙軸式氣缸1可以按圖中實線箭頭方向運動，從而夾緊模具5。筆桿式氣缸4按圖中虛線箭頭方向推動圖2中模具的導向桿4，然后將芯體放入模具5中并將芯體定位孔9對準滑動底板3上的定位圓柱2，該動作限制了芯體的2個自由度然后擋盤1限制了芯體的底面和側面相當于限制了芯體的4個自由度，從而模具完成了對芯體的定位。當筆桿式氣缸沿圖3中虛線箭頭相反方向運動時，圖2中導向桿4上的彈簧5會對擋板1釋放壓力，然后擋板1會沿圖3中虛線箭頭相反方向運動從而將芯體夾緊。這個過程也就完成了芯體與模具的裝夾與定位。

圖3 芯體裝配裝置

如圖4所示，由機械爪將裝夾芯體后的模具水平擺置載盤上并且滑動底板3上的底盤定位孔7和底板鍵槽孔6，要與載盤上定位圓柱10和定位平鍵11對齊，這個過程就完成了芯體(模具)與載盤之間的定位。一個載盤可以定位16個芯體(及模具)。

圖4 芯體(及模具)與載盤裝配簡圖

2.2 送料裝置設計

如圖5所示，芯體(模具)送料裝置：該裝置由電機1通過聯軸器2帶動絲杠螺母7運動，因為螺母7與載臺5相連接，而載臺5又與滑塊4連接，滑塊4與滑軌3配合，從而導軌3起到了載臺5的導向的作用，從而載臺5可以實現往復直線運動。而載臺5與芯體裝夾模具6通過定位孔與平鍵連接和定位與圖2中芯體(模具)和上料載盤的定位方式相同，最終實現了芯體(模具)的運送。

圖5 芯體裝夾模具與載盤上料裝置

2.3 機械爪裝置設計

如圖6所示，機械爪通過連接塊5和機架7與Z方向載臺8相連接，左側的不完全齒輪2與舵機1相連，而舵機1通過底板6固定，當舵機1轉動時，不完全齒輪桿2也轉動并帶動連桿4和夾緊桿3按一定角度轉動，從而實現機械爪閉合與張開。利用此機械手可以抓取芯體(模具)。

圖6 機械爪裝置

2.4 轉盤裝置設計

如圖7所示，轉盤裝置由電機6通過同步帶7帶動立軸2轉動，立軸2又通過法蘭1連接轉盤8，轉盤8通過如圖2所示的定位圓柱和鍵與載盤9相連接，從而達到電機的轉動帶動載盤的轉動。芯體及(模具)10與載盤9的連接如圖2所示。當裝盤和卸盤機械爪裝卸16個芯體后，轉盤旋轉180°后停止轉動，以此完成循環。

圖7 轉盤裝置

3 機械爪的連桿計算

芯體及模具的重量大約為1 kg(g=9.8 N/kg)，則重力為：

G=mg=1×9.8=9.8 N

機械爪前端和模具都為鋁材料，由表1取兩者之間的靜摩擦系數f=1.2。

令機械爪的夾緊力為P，則由最大靜摩擦力F得：

F=f·P

F≥G=9.8 N

考慮到外界影響，所以機械爪的夾緊力必須大于15 N。

部分材料之間的摩擦系數如表1。

表1 材料之間的摩擦系數

機械爪如圖8。

圖8 機械爪受力

由下式得：

P1=M·L2

P1T·L3=P·L2

當桿長為:L1=51 mm，L2=33 mm，L3=32 mm。滿足機械爪的夾緊力需求。

4 結語

本設計為芯體定位裝配及運送裝置，針對目前已有的自動供送裝配裝置存在著價格昂貴，而且體積大、效率低等的這些問題，提出了采用模塊化的芯體定位裝配及運送裝置來解決這些問題。該芯體定位裝配及運送裝置分別為芯體裝配裝置、芯體抓取裝置、芯體運輸裝置，芯體定位模具裝置等模塊，這些模塊之間通過相互配合完成芯體高效率和精準定位的供送，設計的兩組三軸直線模組機械手分別解決了現有自動供送裝置效率低和體積大的問題，本設計中采用了專用夾具，提高了芯體運送的精確度。本文設計的芯體定位裝配及運輸裝置具有較高的實用性和推廣價值。