基于機械手運作的機床行程開關自動裝配設備設計與實現(xiàn)

蔣修華，王有亮，胡真清，賀國建，陳詩贈

（喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

在當今社會中，隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，人們對生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量不斷提出新的要求。通過對生產(chǎn)工藝流程的不斷改進和優(yōu)化，逐漸便形成帶有多工位、多功能的自動化裝配生產(chǎn)線。自動化裝配可以將一個或者多個工件按照一定的軌跡從A工位移動到B工位，不斷地進行循環(huán)工作過程。自動化裝配生產(chǎn)線在功能上主要實現(xiàn)加工生產(chǎn)線上各零部件的挑選、夾取、搬運、裝配、檢測等動作，最終完成后的產(chǎn)品一般是成品或半成品，它能達到機器換人、減少人工干預的目的；同時它根據(jù)企業(yè)實際的生產(chǎn)需求，通過PLC或者相關程序命令，讓裝置上相關的氣動、液壓等元件根據(jù)指令執(zhí)行相應的軌跡、運動時間和移動位置來進行工件的裝配和組裝，可以大幅改善企業(yè)惡劣、繁重的勞動條件，減輕工作強度、保證工件質(zhì)量；實現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率和企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)自動化[1]。正是由于這些特點，自動化裝配生產(chǎn)線在五金加工、智能物流、電子家電等行業(yè)都有廣泛應用。

本文研究的自動化生產(chǎn)線需要裝配的產(chǎn)品是機床用的行程開關，其結構屬于滾輪式行程開關，與按鈕開關類似，上端具備金屬滾輪，內(nèi)部是觸電系統(tǒng)，外部是塑料外殼。自動化裝配生產(chǎn)線的結構包括夾取工件的執(zhí)行機構和傳遞運動的傳動機構，而夾取工件是通過機械手來實現(xiàn)。通過該裝置，可實現(xiàn)行程開關裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。根據(jù)生產(chǎn)線的實際情況和該工位自動裝配生產(chǎn)線的空間布置，設計自動裝配生產(chǎn)線的驅(qū)動機構，包括各連接機構的設計計算和關鍵部件的校核，夾取工件的機械手需要安裝在一定高度的固定基座上，基座具備足夠的剛度和強度，保證裝配工作時不發(fā)生變形。該裝置在后期調(diào)試過程中，完成一個產(chǎn)品的裝配周期為4 s，系統(tǒng)運行可靠性好，減少了人力成本的投入，操作簡單，維護成本低，適合同行業(yè)中的推廣應用。

1 設計原理

根據(jù)自動裝配生產(chǎn)線的工作需求，其執(zhí)行機構主要為單氣缸雙夾機械手。主要組成部件包括機械手的手部結構和手臂結構。根據(jù)工作需求設計計算，然后選取合適的氣缸。機械手的性能指標需要達到以下技術指標：（1）裝配規(guī)格為長17 mm、寬5.5 mm、高7 mm 的塑料外罩；（2）完成一個周期的裝配時間為4 s；（3）水平行程為62.5 mm，豎直行程為10 mm；（4）系統(tǒng)最大負載為20 g；（5）運行速度為100 mm∕s。

根據(jù)機械手的性能指標和實際情況，設計該機械手在工位上進行水平方向的左、右移動，豎直方向的上、下運動，當?shù)竭_零部件上方，實現(xiàn)零部件的夾緊、放松，機械手的運動簡圖如圖1所示。

圖2 機械手結構

圖1 機械手的運動簡圖

2 硬件結構

自動化生產(chǎn)線上的基座工作臺的材料采用HT200 型號的灰鑄鐵，密度為7.0 g∕cm3；長、寬、高分別為118、88、85 mm，最大載荷為15 N。基座工作臺是整個自動裝配裝置的重要組成部分，當中的結構設計、強度剛度特性，都應該符合工作的要求[2]，而傳動部分和控制部分的布置都將影響到整個工作流程和順暢性。由于本自動裝配裝置應用在生產(chǎn)線的自動裝配上，考慮實際情況，將傳動部分布置在基座的后下方[3]，而控制部分采用對稱方式布局[4]。

3 控制系統(tǒng)

3.1 機械手的手部結構設計

機械手通過單個氣缸對兩個手爪進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)零部件的夾取，結構如圖2 所示。首先對機械手的手部夾緊氣缸進行設計，查閱資料得出夾緊力的計算方式。

3.1.1 夾緊力的計算

正常情況下，機械手的夾緊力需要大于工件自身質(zhì)量產(chǎn)生的靜載荷，工件才能被夾持穩(wěn)定。手指夾緊力的計算為：

式中：K1為機械手運行過程中的安全系數(shù)，根據(jù)機械手的功能機構和設計布局而定，一般取1.2～2.0；K2為機械手運行中被夾持工件的工況系數(shù)，主要根據(jù)機械手運動過程中所產(chǎn)生的慣性沖量而定，一般取1.1～2.5；K3為機械手運行過程中的方位系數(shù)，主要根據(jù)機械手手抓夾持零部件的不同外觀結構和停留方位來定義，通過計算粗略得出K3=4；G為被機械手手抓夾持零部件的質(zhì)量大小。

取K1=2，K2=2，K3=4，代入式（1），得出夾緊力FN≥3.14 N。

3.1.2 驅(qū)動力的計算

驅(qū)動力的計算公式為：

式中：c為機械手滾子鏈中滾子與銷軸的相對長度；b為機械手夾持機構與銷軸的相對長度；α為滑動楔塊的偏向夾角[5]。

可得理論計算力F=2FNbsinα∕c=3.82 N，而在實際生產(chǎn)線上，機械手所安裝的氣缸輸出壓力F′要大于理論計算力，現(xiàn)取機械手手抓的機械效率η=0.85，則：F′=F∕η=4.49 N，所以驅(qū)動力為4.49 N。

由于生產(chǎn)線上的物件驅(qū)動的負載為20 g，考慮到摩擦力的影響以及機械爪的質(zhì)量。在計算缸徑時，引入負載率β：

式中：F為氣缸的實際負載；F0為氣缸的理論輸出力。

運動速度v=100 mm∕s，查閱相關文獻[6]，取β=0.65，所以實際氣缸的負載大小F=6.91 N。

3.1.3 氣缸內(nèi)徑的確定

根據(jù)氣缸內(nèi)徑的計算公式，得出

式中：D為機械手所安裝的單個氣缸內(nèi)徑尺寸，m；F1為單缸氣缸中活塞推桿的輸出力，N；P為生產(chǎn)線上設計所需的工作壓力，Pa，一般P=（0.5～1）MPa；η為單缸氣缸的總機械輸出效率。

當單缸氣缸的活塞推桿產(chǎn)生推動力時：

式中：F2為活塞推桿的輸出力，N；d為生產(chǎn)線初步選定的活塞推桿，d∕D=0.16～0.5。

把d∕D=0.16～0.5引到上述計算公式，則可得：

取d∕D=0.7，根據(jù)F=6.91 N，查閱相關文獻[7]得出F＜10 kN，所以取P=0.5 MPa，η=0.4，計算得D=7.63 mm。

查閱有關機械手冊進行得數(shù)取整，結果為D=8 mm，所以計算得出機械手活塞推桿直徑d=0.7D=5.6 mm，進行得數(shù)取整，結果得出活塞推桿直徑為6 mm。

3.1.4 活塞桿的強度校核

活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣缸）運動的要求和強度的要求。

由上式可知F=6.91 N，取σ=60 MPa，可得d≥0.382 mm，6 mm＞0.382 mm，所以活塞桿安全。

3.1.5 缸筒長度的計算

根據(jù)計算公式，機械手氣缸的缸筒長度S=L+B+6，其中L為單缸活塞的有限移動行程；B為單缸活塞的外殼壁厚，單缸活塞的外殼壁厚B=0.5D=4 mm。根據(jù)生產(chǎn)線上單缸氣缸的所測數(shù)據(jù)，得出單缸氣缸的有效移動行程L=3.6 mm，所以S=L+B+6=13.6 mm，單缸氣缸內(nèi)部導向結構件有限移動距離A=6.4 mm。因此，活塞桿的長度l=20 mm。

3.1.6 氣缸筒壁厚的計算

查閱相關文獻得出[8]，機械手單缸氣缸筒的壁厚可參照薄壁筒的設計方案，得出氣缸筒壁厚：

式中：δ為缸筒壁厚，m；D為單缸氣缸的缸筒內(nèi)徑，m；σ為單缸氣缸筒本體能承受的許用應力，MPa，本生產(chǎn)線上選取的單缸氣缸本體外殼材料為45 號鋼，σ=60 MPa；P為單缸氣缸筒所能接受的最大工作強度的壓力，MPa，工作壓力的選定有兩種形式，如果單缸氣缸的工作強度的壓力p≤16 MPa 時，這時應取P=1.5p，如果單缸氣缸的工作強度的壓力p＞16 MPa時，這時應取P=1.25p。

針對生產(chǎn)線上單缸氣缸工作時所承受的壓力0.6 MPa＜16 MPa，因此，應取P=1.5p，得出P=0.9 MPa。最后得出缸筒壁厚δ=0.03 m。

3.2 機械手的手臂結構設計

3.2.1 氣缸內(nèi)徑的確定

根據(jù)生產(chǎn)線上機械手運動路徑和所夾持零部件所需的壓力大小，計算出機械手手臂上的氣缸內(nèi)徑，其計算公式為：

式中：D為機械手手臂所選氣缸的內(nèi)徑尺寸，m；F1為氣缸中活塞桿的輸出力，N；P為生產(chǎn)線方案設計中所選氣缸的工作壓力，Pa，一般為P=0.5～1 MPa；η為機械手手臂運行的總機械效率[9]。

當機械手手臂中活塞桿額定輸出推動力對工件進行夾取或者移動時：

式中：F2為機械手手臂中活塞桿的推動力，N；d為活塞桿的直徑；D為氣缸內(nèi)徑尺寸。

氣缸活塞直徑與內(nèi)徑的比例值d∕D=0.16～0.5，可得：

3.2.2 升降氣缸的計算

機械手手臂中氣缸內(nèi)徑D的計算，取d∕D=0.5，P=0.5 MPa，η=0.4，計算得D=9.62 mm，取D=10 mm，d=4 mm，氣缸的有效移動行程S=10 mm。查閱相關氣缸參數(shù)[10]，選用SMC標準氣缸，型號為CDJPB10-10D。

3.2.3 耗氣量的計算

根據(jù)機械手手臂中氣缸數(shù)量，計算出氣缸耗氣量，其計算的計算公式為：

代入相關數(shù)值得出耗氣量Q1= 2.62 × 10-6m3∕s。

4 測試驗證與結果分析

該自動化裝配設備制造完成后，通過對其機械手手部夾取和手臂運動的行程、運動自由度穩(wěn)定性進行測試[11]。經(jīng)測試，機械手運行過程中，在豎直和水平兩個方向，都分別具有相應的直線運動，能按照任務指令將左邊工作臺上的工件搬到其右側(cè)的生產(chǎn)線導軌上。在豎直方向上，氣缸驅(qū)動機械手的手抓能按照任務指令進行上下運動，實現(xiàn)夾取工件動作，其工作行程為0～10 mm。該設備的電機能正常驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，帶動機械手實現(xiàn)水平方向上的直線移動[12]。通過轉(zhuǎn)動軸連接凸輪機構，凸輪機構帶動移動導軌，機械手的水平方向工作行程為0～62.5 mm。機械手能根據(jù)任務指令完成3 個自由度運動，包括水平左右方向、水平前后方向和豎直升降的自由度[13]。

測試開始時，機械手原點位置設定在第一裝配工位的正上方，機械手執(zhí)行的開始執(zhí)行的循環(huán)動作都是從原點位置開始執(zhí)行指令，根據(jù)程序和氣缸的一系列動作，完成上升與下降的移動，左移與右移的移動和零部件的夾緊與放松的動作[14]，其工作流程如圖3所示。

根據(jù)機械手運動性能指標測試，得出該自動裝配生產(chǎn)線完成一個產(chǎn)品的裝配周期為4 s，根據(jù)上述機械手的流程圖，優(yōu)化機械手夾取時間進行分配[15]。經(jīng)多次實驗驗證，統(tǒng)計得出較優(yōu)的機械手工序時間分配數(shù)據(jù)，如表1 所示。該自動裝配生產(chǎn)線在功能測試中，試生產(chǎn)5 000多件，能實現(xiàn)機床用的行程開關裝配的所有功能，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全能滿足生產(chǎn)要求。

圖3 機械手測試驗證流程

表1 機械手的工序時間分配

5 結束語

本文設計的自動化裝配生產(chǎn)線的結構包括夾取工件的執(zhí)行機構和傳遞運動的傳動機構，而夾取工件是通過機械手來實現(xiàn)。通過該裝置，可實現(xiàn)行程開關裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。根據(jù)生產(chǎn)線的實際情況和工位的自動裝配的空間布置，設計自動裝配裝置的驅(qū)動機構，包括各連接機構的設計、計算以及關鍵部件的校核，最后合理地安裝在固定基座上，使整個機構布局合理。通過該裝置，可實現(xiàn)行程開關裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。在后期裝置運行過程中，經(jīng)測試，完成一個產(chǎn)品的裝配周期為4 s，系統(tǒng)最大負載為20 g，運行速度為100 mm∕s。該裝置系統(tǒng)運行可靠性良好，減少了人力成本的投入，操作簡單，維護成本低，為同行業(yè)的相關裝配生產(chǎn)線提供了借鑒。