多工步搬運機(jī)械手設(shè)計

1、多工步搬運機(jī)械手設(shè)計1引言 隨著工業(yè)自動化的普及和發(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，工藝過程長，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，我們研究開發(fā)了多工步搬運機(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)動和控制系統(tǒng)等方面，對原有設(shè)備進(jìn)行了徹底改造，投入運行以來，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工藝過程和總體布局 殼體是用牌號為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、端面及外殼凸臺為定位基準(zhǔn)，加工在殼體圓周上呈幅射狀分布的5個徑向階梯孔。徑向孔系的加工需要由12個工步完成，其中孔1和孔2的加工過程為：鉆孔攻絲鉆小孔?？?，孔4和孔5的加工過程為：鉆孔攻絲。多工步搬運機(jī)械手是加工殼體徑向孔類的專用設(shè)備。整機(jī)由框架、動力頭、機(jī)械手、夾具、排屑機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動和控制系統(tǒng)等七部分組成，其全部工藝過程和總體布局如圖1所示。 圖1工藝過程和總體布局整機(jī)呈口字型框架結(jié)構(gòu)，框架上面的導(dǎo)軌上吊裝著13個機(jī)械手，下面的工作臺面上設(shè)有13個輔助定位夾具，其中第3、6、8和10號4個夾具的轉(zhuǎn)位動作由

3、轉(zhuǎn)位液壓缸和齒條、齒輪組成的傳動副完成。除零號夾具以外，其余12個夾具后面，分別安裝有12個呈線性排列的動力頭，進(jìn)行鉆孔和攻絲，動力頭的進(jìn)給和后退分別由裝在分配軸上的12個凸輪來控制，分配軸的動力由主電機(jī)(1.5 kW，1 440 r/min)通過行星擺線減速器帶動蝸輪和蝸桿機(jī)構(gòu)提供，各動力頭的初始位置可由各自的調(diào)整機(jī)構(gòu)來完成。為便于排屑，在動力頭和夾具下面設(shè)有由計數(shù)器控制的排屑電機(jī)，經(jīng)減速后啟動傳送帶進(jìn)行排屑，可在不停機(jī)的情況下，每加工5個工件自動地清理切屑。 3多工步搬運機(jī)械手設(shè)計 3.1結(jié)構(gòu)組成和工作原理 我們設(shè)計的多工步搬運機(jī)械手是一個直角坐標(biāo)型式的二自由度機(jī)械手，其職能符號和結(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職能符號和結(jié)構(gòu)原理圖整機(jī)框架的導(dǎo)軌上安裝有一個單桿雙作用液壓缸，缸體固定。與活塞桿連接的滑塊上剛性地吊裝著13個機(jī)械手，當(dāng)活塞桿運動時，可使13個機(jī)械手同步完成左右橫移動，機(jī)械手的手臂是一個伸縮式復(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動中，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的第一和第二基準(zhǔn)，13個機(jī)械手同時完成工件的自定位，夾緊，一起搬運工件進(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 機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。 由殼體零件的設(shè)計要求知道，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)計中我們?nèi)恿︻^回轉(zhuǎn)中心線與夾具中心線之間的同軸度為0.06mm，動力頭回轉(zhuǎn)中心線與機(jī)械手中心線之間的垂直度為0.03 mm，同時還對機(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，加工中以夾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自由度和兩個自由度，由殼體外端面凸臺在夾具中清除第六個自由度。設(shè)計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中性，并確保工件在夾緊時能很好地進(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面的夾具中，機(jī)械手吊裝在框架上面的滑軌上，每個工件都要經(jīng)過機(jī)械手12次搬運才能完成全部工藝過程，所以機(jī)械手的抓取精度在設(shè)計中十分重要。影響機(jī)械手抓取精度的因素很多，例如：框架上導(dǎo)軌面對框架下部工作臺面的平行度T1，夾具中定位元件

7、中心線對工作臺面的垂直度T2，機(jī)械手的手部中心線對導(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，全部參照液壓缸的設(shè)計要求確定。 由于12個機(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)械手的運動速度不高(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)械手運動平穩(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)動系統(tǒng)中有足夠大的夾緊

9、力。 4機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓方式，它具有在同等輸出功率下傳動裝置體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、動態(tài)性能好等特點，13個機(jī)械手的左右橫移，上升和下降及夾緊和松開等動作及4個自動轉(zhuǎn)位夾具的回轉(zhuǎn)運動，分別采用由方向閥和節(jié)流閥控制的18個液壓缸驅(qū)動，全部執(zhí)行元件由一個4 kW的6級電動機(jī)帶動一個流量為24 l/min的單級葉片泵供油，使驅(qū)動系統(tǒng)的造價大幅度降低。 5機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 在多工步搬運機(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信號，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)計方法較多，設(shè)計中我們采用流程圖法

10、，按照零件加工過程設(shè)計出控制系統(tǒng)流程圖。 一般控制系統(tǒng)都是由若干個穩(wěn)定工作狀態(tài)組成，每個工作狀態(tài)是由于接受了某個切換主令信號而建立的。各個工作狀態(tài)用一個輔助繼電器進(jìn)行區(qū)分，輔助繼電器的狀態(tài)由切換主令信號來控制，這些切換主令信號分別來自按鈕、傳感器、定時器和計數(shù)器。輔助繼電器同時又是執(zhí)行元件的輸入變量。當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入主令信號和執(zhí)行元件確定以后，將主令信號與各自工作狀態(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，即可完成自動工作循環(huán)的邏輯控制。最后再考慮手動控制系統(tǒng)及自動循環(huán)與手動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。 6結(jié)束語 由于多工步搬運機(jī)械手主機(jī)采用口字型框架結(jié)構(gòu)，13個機(jī)械手、夾具、動力頭在主機(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)對動力頭進(jìn)行集中控制，18個液壓缸采用一個泵站供油，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、抓取等動作一并完成，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，工藝過程中，13個工步同時進(jìn)行，13個工件的搬運同步完成，生產(chǎn)節(jié)拍