橫向穩定桿自動上下料機器人夾具設計*

詹玉新

(滁州職業技術學院 電氣工程學院，安徽 滁州 239000)

橫向穩定桿又稱防傾桿，是汽車懸架中的一種重要輔助彈性元件，是用彈簧鋼制成的扭桿彈簧，形狀呈“U”形，橫置在汽車的前端和后端。其作用是防止車身在轉彎時發生過大的橫向側傾和改善行駛平順性。[1]彎曲成型與熱處理是橫向穩定桿生產的一道重要工序，工作環境溫度高，環境條件差。目前橫向穩定桿彎曲成型與熱處理上下料大多是人工勞作，手持夾鉗夾持工件上下料，不僅生產效率低，勞動強度大，且檢測溫度不精確，影響產品的質量。近年來，為了降低勞動強度，提高生產效率，實現產品的自動化，自動化上下料系統應用在各行各業中應用越來越廣泛。馬常杰等研究并設計了一種用于履帶板熱處理的自動上下料系統；[2]劉子楊等研究設計了一種用于托板螺母冷擠壓加工的自動上下料；[3]徐愛華等研究了用于接桿加工的自動化上下料裝置。[4]

根據橫向穩定桿的生產工藝，以及產品的形狀結構，本文設計一種用于橫向穩定桿熱處理與彎曲成型的自動上下料機器人夾具，進行整體布局方案設計，并對機器人夾具進行總體結構設計以實現上下料的自動化，提高生產效率，減少人工勞動強度。

1 生產工藝及方案設計

1.1 生產工藝分析

橫向穩定桿材質采用彈簧圓鋼，需經過整體加熱、彎曲成形、淬火處理3道重要生產工序，其具體生產工藝分析如下：

整體加熱：把下料后的坯料放在中頻感應加熱爐加熱到950°～1000°；

彎曲成形：整體加熱后的半成品橫向穩定桿，放入液壓全自動成型機進行彎曲成形；

淬火處理：從液壓全自動成型機出來的半成品裝夾在專用桿件淬火機上，進入淬火油池進行淬火處理。

1.2 方案設計

根據橫向穩定桿的熱處理生產工藝，采用機器人對各生產工藝之間的流程進行自動上下料，以實現自動化。1號機器人布置在整體加熱與彎曲成形生產工序之間，實現對整體加熱的桿件下料與彎曲成形上料。2號機器人布置在彎曲成形工序與淬火處理工序之間，實現對彎曲成形后桿件下料與淬火處理工序的上料。兩臺機器人協調工作，完成橫向穩定桿在熱處理與彎曲成形生產中的自動上下料，根據機器人的節拍，其生產效率可達到6秒一件。其方案布置圖如圖1所示。

如圖1所示，其自動上下料生產流程如下：橫向穩定桿在中頻感應加熱爐整體加熱后，進入到自動定位裝置，并定位好。1號機器人抓取整體加熱后的橫向穩定桿，放料到液壓全自動成型機的合適位置進行彎曲，彎曲成形后，1號機器人返回加熱爐桿件定位裝置處，同時2號機器人夾具進入到彎曲后的桿件定位處，并抓取桿件，機器人上測溫儀對桿件進行溫度檢測，若桿件符合溫度要求，抓取桿件并放料到專用桿件淬火機的定位構件上，完成彎曲成形后桿件的下料，使其進入淬火池進行淬火處理。若桿件不符合溫度要求，則機器人把桿件從彎曲成型機上放料到廢品箱中，并進入下一個循環。為保證兩臺機器人在運動過程中不相互干涉，并最大限度提高工作效率，可設置機器人工作路徑為：當1號機器人放料到彎曲成型機時，2號機器人把前一個彎曲后的桿件放料到淬火機的定位構件上，1號機器人返回到加熱爐位置時，2號機器人返回到彎曲成型機桿件定位位置處。

圖1 方案布置圖

2 結構設計

2.1 夾具總裝設計

根據生產要求，該自動上下料系統需兼容多種產品，故夾具設計應能夠兼容多種產品，且換一種型號產品時，為便于裝配及示教，對于抓取位置應便于讀取，故根據橫向穩定桿的型號、結構形狀及工藝質量要求，均采用雙抓手設計，且具有防竄動功能。由于2號機器人具有溫度檢測功能，比1號機器人多測溫裝置，其余夾具結構相同，故2號機器人夾具總裝圖如圖2所示。

(a)夾具主視圖 (b)夾具剖面俯視圖 (c)夾具軸側圖圖2 機器人夾具總裝圖

如圖2所示：機器人夾具包括1-帶方形座軸承、2-左固定板、3-左旋絲桿、4-刻度尺、5-直線軸承連接塊、6-軸承座、7-聯軸器、8-右旋絲桿、9-連接板、10-右固定板、11-手輪、12-固定把手、13-防轉動件、14-軸環、15-空心導向軸、16-連接桿、17-手指組件、18-墊塊、19-指針支架、20-刻度尺指針、21-測溫儀支架連接板、22-測溫儀支架、23-紅外測溫儀、24-左旋絲桿螺帽、25-深溝球軸承、26-右旋絲桿螺帽、27-法蘭連接盤、28-無油襯套、29-桿件。

為兼容多種產品，本夾具采用手輪裝置，當搖動手輪時候，帶動左右旋絲桿轉動，通過絲桿的旋轉運動轉化為直線運動，使得左旋絲桿螺帽連同左手指組件與右旋絲桿螺帽連同右手指組件相向運動，同時可調整手指抓取桿件的位置。

左右兩端帶方形座軸承分別與左右絲桿相固連，起固定與支撐作用。左旋絲桿螺帽與右旋絲桿螺帽分別安裝在左旋絲桿與右旋絲桿上。直線軸承連接塊上端均與對應的左右旋絲桿螺帽相連接，下端與直線軸承相連接。直線軸承連接塊連接直線軸承，并帶動手指組件在空心軸支撐與導向作用下移動，從而調整手指抓取桿件的位置及兼容產品的類型。聯軸器兩端分別連接左旋絲桿右旋絲桿，使得在手輪的作用下，左右旋絲桿能同時轉動。固定把手與防轉動件連接，使得在機器人運動過程中絲桿被固定，防止絲桿的轉動引起夾具抓取位置的改變。刻度尺與刻度尺指針是為了對應切換產品型號時，便于快速找到夾具抓取桿件的位置，減少示教及調試的時間。

法蘭連接盤一端與機器人第六軸關節相連接，另一端與連接板連接，連接板兩端分別與左右固定板相連接，構成夾具的整體框架。為減小夾具的重量，同時滿足整體結構的剛度要求，連接板材質采用碳素結構鋼Q235A，中間間隔挖空，既能保證剛度要求，又能減少重量，其連接板結構圖如圖3所示。

圖3 連接板結構圖

2.2 手指組件設計

手指組件安裝在夾具末端，起抓取夾持桿件作用。根據桿件的大小及結構形狀，本手指組件采用氣缸作為驅動力，齒輪連桿機構[5]作為傳遞機構，傳遞運動和動力來夾持桿件，其手指組件總裝圖如圖4所示。

(a)手指組件軸測圖 (b)手指組件齒輪機構剖視圖圖4 手指組件總裝圖

由圖4手指組件總裝圖可知，其組成結構包括30-關節軸承、31-擋蓋、32-左夾爪連桿、33-隔熱板、34-抓手、35-隔熱墊、36-右夾爪連桿、37-蓋板、38-立板、39-驅動氣缸、40-U型腳架、41-氣缸安裝板、42-箱體、43-轉動連桿、44-軸承、45-左齒輪軸、46-左側長隔套、47-左側短隔套、48-右齒輪軸、49-圓柱齒輪、50-右側隔套。

兩立板一端均與安裝板相連接，另一端分別與夾具上直線軸承連接塊和墊塊相連接。驅動氣缸通過安裝板固定在立板上，關節軸承安裝在活塞桿上，轉動連桿一端與關節軸承連接，另一端與左齒輪軸固定。兩圓柱齒輪與深溝球軸承及左右側隔套分別安裝在左齒輪軸和右齒輪軸上。兩齒輪軸安裝相互平行，齒輪軸之間的間距為齒輪的分度圓直徑大小。左齒輪軸與右齒輪軸兩端分別安裝在箱體與蓋板上，左夾爪連桿與右夾爪連桿一端安裝在左齒輪軸和右齒輪軸上，由于抓取的桿件達到950°以上，為減少溫度對氣缸等零部件的損害，左右夾爪連桿均采用耐高溫不銹鋼材質，且另一端安裝隔熱墊與隔熱板。抓手與高溫桿件直接接觸，采用合金熱作模具鋼H13,與隔熱板安裝在夾爪連桿上，為增加摩擦力，抓手夾持部分做成齒形。

其工作原理及過程為：氣缸活塞桿向前移動，帶動關節軸承向前移動，使得連同關節軸承的轉動桿轉動，轉動關節帶動左齒輪軸轉動，使得與左齒輪軸固連的圓柱齒輪與左夾爪連桿一起旋轉，左齒輪軸上的圓柱齒輪與右齒輪軸上的圓柱齒輪外嚙合，轉動方向相反，左齒輪軸與右齒輪軸旋轉方向相反，從而左夾爪連桿與右夾爪連桿轉動方向相反，實現安裝在左夾爪連桿與右夾爪連桿上的兩抓手夾持和松開動作，完成機器人對桿件的抓取。

3 結語

通過對橫向穩定桿熱處理及彎曲成形的生產工藝分析，設計一種橫向穩定桿生產自動上下料的機器人夾具。先對上下料系統總體布局方案進行設計，一臺機器人用于中頻感應加熱爐與彎曲成型機之間的上下料，另一臺機器人用于彎曲成型機與淬火機之間的上下料，兩臺機器人相互配合，重點對夾具進行總體設計以及夾具中手指組件的設計，并對結構進行分析。研究結果表明：該機器人夾具能夠用于橫向穩定桿的自動上下料，滿足生產使用要求，能夠達到減少人工勞動強度，提高生產效率的要求，滿足6秒生產一件的節拍，實現企業生產自動化。