多工步搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、多工步搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)1引言 隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大。殼體是閥類控制器上使用的通用型零件，該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，工藝過(guò)程長(zhǎng)，殼體質(zhì)量一直是影響控制器精度的主要指標(biāo)之一。由于原有殼體的加工設(shè)備陳舊，工藝落后等原因，嚴(yán)重影響了控制器的發(fā)展。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài)，緩解日趨緊張的供求關(guān)系，我們研究開(kāi)發(fā)了多工步搬運(yùn)機(jī)械手。在設(shè)備的整體構(gòu)思，總體布局，機(jī)構(gòu)功能，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)等方面，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了徹底改造，投入運(yùn)行以來(lái)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，工藝成本降低，深受廠家歡迎。 2工藝過(guò)程和總體布局 殼體是用牌號(hào)為HPb591的有色金屬合金，經(jīng)金屬模壓鑄成型，毛坯精度高。為了

2、滿足設(shè)計(jì)要求，通常首先以殼體外表面為工藝基準(zhǔn)，加工殼體端面和定位止口，然后再以止口、端面及外殼凸臺(tái)為定位基準(zhǔn)，加工在殼體圓周上呈幅射狀分布的5個(gè)徑向階梯孔。徑向孔系的加工需要由12個(gè)工步完成，其中孔1和孔2的加工過(guò)程為：鉆孔攻絲鉆小孔?？?，孔4和孔5的加工過(guò)程為：鉆孔攻絲。多工步搬運(yùn)機(jī)械手是加工殼體徑向孔類的專用設(shè)備。整機(jī)由框架、動(dòng)力頭、機(jī)械手、夾具、排屑機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)等七部分組成，其全部工藝過(guò)程和總體布局如圖1所示。 圖1工藝過(guò)程和總體布局整機(jī)呈口字型框架結(jié)構(gòu)，框架上面的導(dǎo)軌上吊裝著13個(gè)機(jī)械手，下面的工作臺(tái)面上設(shè)有13個(gè)輔助定位夾具，其中第3、6、8和10號(hào)4個(gè)夾具的轉(zhuǎn)位動(dòng)作由

3、轉(zhuǎn)位液壓缸和齒條、齒輪組成的傳動(dòng)副完成。除零號(hào)夾具以外，其余12個(gè)夾具后面，分別安裝有12個(gè)呈線性排列的動(dòng)力頭，進(jìn)行鉆孔和攻絲，動(dòng)力頭的進(jìn)給和后退分別由裝在分配軸上的12個(gè)凸輪來(lái)控制，分配軸的動(dòng)力由主電機(jī)(1.5 kW，1 440 r/min)通過(guò)行星擺線減速器帶動(dòng)蝸輪和蝸桿機(jī)構(gòu)提供，各動(dòng)力頭的初始位置可由各自的調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)完成。為便于排屑，在動(dòng)力頭和夾具下面設(shè)有由計(jì)數(shù)器控制的排屑電機(jī)，經(jīng)減速后啟動(dòng)傳送帶進(jìn)行排屑，可在不停機(jī)的情況下，每加工5個(gè)工件自動(dòng)地清理切屑。 3多工步搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 3.1結(jié)構(gòu)組成和工作原理 我們?cè)O(shè)計(jì)的多工步搬運(yùn)機(jī)械手是一個(gè)直角坐標(biāo)型式的二自由度機(jī)械手，其職能符號(hào)和結(jié)構(gòu)，原

4、理如圖2所示。 1.連接螺釘2.升降液壓缸3.彎板，導(dǎo)向螺釘4.夾緊液壓缸 5.抓手6.鉸鏈7.工件8.定位元件9.墊片10.球面墊圈 11.連接桿12.小活塞桿(傳力機(jī)構(gòu))13.橫移缸 圖2職能符號(hào)和結(jié)構(gòu)原理圖整機(jī)框架的導(dǎo)軌上安裝有一個(gè)單桿雙作用液壓缸，缸體固定。與活塞桿連接的滑塊上剛性地吊裝著13個(gè)機(jī)械手，當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使13個(gè)機(jī)械手同步完成左右橫移動(dòng)，機(jī)械手的手臂是一個(gè)伸縮式復(fù)合液壓缸，手臂缸的活塞桿是夾緊缸的缸體，夾緊缸的活塞桿作為傳力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)以銷軸為鉸鏈的內(nèi)卡鉗式4指抓手，完成工件的抓取和釋放。為了防止手臂在上升和下降運(yùn)動(dòng)中，由于受力不均產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響工件的定位精度，在手臂活塞桿

5、上裝有導(dǎo)向螺釘，螺釘與端蓋上的彎板滑槽配合進(jìn)行軸向?qū)?。夾緊缸的下端蓋的止口端面和外徑分別作為工件加工時(shí)的第一和第二基準(zhǔn)，13個(gè)機(jī)械手同時(shí)完成工件的自定位，夾緊，一起搬運(yùn)工件進(jìn)行工序間轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)率大為提高。 3.2機(jī)械手的精度設(shè)計(jì) 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。 由殼體零件的設(shè)計(jì)要求知道，階梯徑向孔系與殼體端面和定位止口中心線的平行度、垂直度和同軸度均有嚴(yán)格的精度要求(0.1 mm)。設(shè)計(jì)中我們?nèi)?dòng)力頭回轉(zhuǎn)中心線與夾具中心線之間的同軸度為0.06mm，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)中心線與機(jī)械手中心線之間的垂直度為0.03 mm，同時(shí)還對(duì)機(jī)械手的定位

6、準(zhǔn)確性提出了較高的要求。 遵循基準(zhǔn)重合原則，加工中以?shī)A緊缸下端蓋上的止口端面和外徑作為第一和第二基準(zhǔn)面分別清除工件的三個(gè)自由度和兩個(gè)自由度，由殼體外端面凸臺(tái)在夾具中清除第六個(gè)自由度。設(shè)計(jì)中選取夾具的定位元件為錐體結(jié)構(gòu)，保證工件有較高的對(duì)中性，并確保工件在夾緊時(shí)能很好地進(jìn)行自定位(工件外面類似球形)。工件徑向階梯孔的周向位置精度由轉(zhuǎn)位夾具予以保證。 工件安裝在框架下工作臺(tái)面的夾具中，機(jī)械手吊裝在框架上面的滑軌上，每個(gè)工件都要經(jīng)過(guò)機(jī)械手12次搬運(yùn)才能完成全部工藝過(guò)程，所以機(jī)械手的抓取精度在設(shè)計(jì)中十分重要。影響機(jī)械手抓取精度的因素很多，例如：框架上導(dǎo)軌面對(duì)框架下部工作臺(tái)面的平行度T1，夾具中定位元件

7、中心線對(duì)工作臺(tái)面的垂直度T2，機(jī)械手的手部中心線對(duì)導(dǎo)軌安裝面的垂直度T3，機(jī)械手的手部中心線和夾具定位元件(略去工件中心線與定位元件中心線之間的同軸度誤差)中心線的同軸度即抓手的抓取精度為封閉環(huán)T，構(gòu)成如圖3所示尺寸鏈。 圖3尺寸鏈設(shè)計(jì)中我們?nèi)∽ナ肿ト【萒=0.1 mm，則分配給各組成環(huán)的公差為：T1=0.05/220，T2=0.03/130，T3=0.03/400，同時(shí)取夾緊缸下端止口定位端面與止口外徑的垂直度為0.03mm，取止口定位外徑與工件止口內(nèi)徑的配合尺寸44A11g8，即：孔的尺寸為44A11(+0.48+0.32)，外徑即相當(dāng)于軸的尺寸為44g8(-0.009-0.048）則可

8、以計(jì)算出最大配合間隙為0.528mm，最小配合間隙為0.329mm，均能滿足抓取精度要求。機(jī)械手臂部復(fù)合液壓缸中配合精度的設(shè)計(jì)，全部參照液壓缸的設(shè)計(jì)要求確定。 由于12個(gè)機(jī)械手固定吊裝在橫移缸活塞桿的滑塊上，各機(jī)械手之間的設(shè)計(jì)精度取0.03mm，橫移缸采用傳感器和機(jī)械擋塊作為定位系統(tǒng)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度不高(30 cm/s)，所以重復(fù)定位精度可達(dá)0.02 mm，另外橫移液壓缸端部由于采用緩沖裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性也得到了可靠的保證。 機(jī)械手的抓取能力可參照鉗爪式手部的有關(guān)公式，結(jié)合機(jī)械手的幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于殼體重量較輕(2kg)，夾緊缸內(nèi)徑d=40 mm，所以在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有足夠大的夾緊

9、力。 4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓方式，它具有在同等輸出功率下傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，13個(gè)機(jī)械手的左右橫移，上升和下降及夾緊和松開(kāi)等動(dòng)作及4個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)位夾具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別采用由方向閥和節(jié)流閥控制的18個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，全部執(zhí)行元件由一個(gè)4 kW的6級(jí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)流量為24 l/min的單級(jí)葉片泵供油，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的造價(jià)大幅度降低。 5機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在多工步搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)中，我們采用了PLC技術(shù)，選用霍爾傳感器作為主令檢測(cè)信號(hào)，使用日本立石公司生產(chǎn)的C40P作為控制器主體。 常用PLC梯形圖邏輯設(shè)計(jì)方法較多，設(shè)計(jì)中我們采用流程圖法

10、，按照零件加工過(guò)程設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)流程圖。 一般控制系統(tǒng)都是由若干個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)組成，每個(gè)工作狀態(tài)是由于接受了某個(gè)切換主令信號(hào)而建立的。各個(gè)工作狀態(tài)用一個(gè)輔助繼電器進(jìn)行區(qū)分，輔助繼電器的狀態(tài)由切換主令信號(hào)來(lái)控制，這些切換主令信號(hào)分別來(lái)自按鈕、傳感器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。輔助繼電器同時(shí)又是執(zhí)行元件的輸入變量。當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入主令信號(hào)和執(zhí)行元件確定以后，將主令信號(hào)與各自工作狀態(tài)的約束條件，分別代入相應(yīng)的輔助繼電器邏輯方程和執(zhí)行元件的邏輯方程，即可完成自動(dòng)工作循環(huán)的邏輯控制。最后再考慮手動(dòng)控制系統(tǒng)及自動(dòng)循環(huán)與手動(dòng)控制之間的互鎖要求，即完成了全部控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。 6結(jié)束語(yǔ) 由于多工步搬運(yùn)機(jī)械手主機(jī)采用口字型框架結(jié)構(gòu)，13個(gè)機(jī)械手、夾具、動(dòng)力頭在主機(jī)上、下、側(cè)面線性排列，使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，并有條件采用臥式凸輪分配軸機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行集中控制，18個(gè)液壓缸采用一個(gè)泵站供油，中間環(huán)節(jié)少，節(jié)省能源，使設(shè)備總成本降低。機(jī)械手采用自定位夾緊機(jī)構(gòu)配合輔助夾具使工件的定位、夾緊、抓取等動(dòng)作一并完成，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，工藝過(guò)程中，13個(gè)工步同時(shí)進(jìn)行，13個(gè)工件的搬運(yùn)同步完成，生產(chǎn)節(jié)拍