自動上料機(jī)械手設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：人工上料不僅給人帶來乏味勞累，還導(dǎo)致作業(yè)效率不高，機(jī)器代替人工作業(yè)已經(jīng)成為很多企業(yè)解決這一難題的途徑。自動上料機(jī)械手是針對客戶的實(shí)際生產(chǎn)需求，對生產(chǎn)節(jié)拍的分析計(jì)算、直線模組選型計(jì)算，結(jié)合直線模組組合方式以及產(chǎn)品的主要特點(diǎn)等研究設(shè)計(jì)的一款直角坐標(biāo)上料機(jī)械手，其憑借結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、速度快、精度高以及維護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)在自動化生產(chǎn)線上得到應(yīng)用和推廣。

關(guān)鍵詞：直角坐標(biāo)；機(jī)械手；自動化生產(chǎn)線

引言

人工成本的不斷上升，機(jī)器代替人工已經(jīng)成為很多公司轉(zhuǎn)型升級的主要手段。應(yīng)用自動化生產(chǎn)線以搬運(yùn)機(jī)械手代替人工完成物料運(yùn)輸，與人工相比，它具有能夠按照一定節(jié)拍精確穩(wěn)定地不間斷地重復(fù)完成一項(xiàng)工作、能夠運(yùn)輸人工無法運(yùn)輸?shù)妮^重物料，并能有效避免惡劣工作環(huán)境下人工作業(yè)可能帶來的人身傷害，已是制造生產(chǎn)工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的必然選擇，被廣泛應(yīng)用[1]。以往人工上料過程中，人的重復(fù)勞動不僅給人帶來乏味勞累，而且作業(yè)效率不高。近年來，隨著電子技術(shù)水平的不斷提高，機(jī)器人已經(jīng)逐步應(yīng)用到生產(chǎn)領(lǐng)域，幫助人們完成了一些難度比較高以及枯燥的工作，極大地降低了勞動強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率[2]，同時(shí)在需要精確定位的工位中需借助機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次定位。因此，本文研究設(shè)計(jì)自動上料機(jī)械手，減少工人操作，提高作業(yè)效率與產(chǎn)品定位精度。

1自動上料機(jī)械手工作環(huán)境

機(jī)械手是一種模仿人手動作按照提前設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取的自動化設(shè)備，準(zhǔn)確性高，造價(jià)相對經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡單且易操作[3]。自動上料機(jī)械手主要用于轉(zhuǎn)子涂敷生產(chǎn)線[4]的轉(zhuǎn)子上料，為滿足整條生產(chǎn)線技術(shù)要求以及工藝流程，合理安排自動生產(chǎn)線中上料機(jī)構(gòu)與其他工位機(jī)構(gòu)的布局，使得控制系統(tǒng)更簡單、操作更加方便，上料機(jī)械手與其他生產(chǎn)工位布局如圖1所示。其工作流程是：轉(zhuǎn)子通過上料輸送線把轉(zhuǎn)子送到定位機(jī)構(gòu)，定位機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)子定位到上料位，上料機(jī)械手自動拾取，運(yùn)輸?shù)矫商捉M裝工位，將組裝好的轉(zhuǎn)子取出，把未組裝的轉(zhuǎn)子放入組裝工位，并把組裝好的轉(zhuǎn)子運(yùn)送到涂敷機(jī)的上料位。機(jī)械手上配有兩套夾具，其中一套夾具未組裝的轉(zhuǎn)子，另外一套夾具夾取組裝好的轉(zhuǎn)子，使其機(jī)構(gòu)配備更合理，工作效率更高；同時(shí)夾具上還配有檢測傳感器，實(shí)時(shí)檢測夾取的轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)送過程是否掉料。通過自動上料機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)設(shè)備在生產(chǎn)過程中物料中的點(diǎn)對點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換，提高整體的生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2自動上料機(jī)械手設(shè)計(jì)要求

轉(zhuǎn)子涂敷生產(chǎn)線中定位機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)子定位到上料位，上料機(jī)械手將未裝蒙套的轉(zhuǎn)子搬送到蒙套組裝工位，同時(shí)把組裝好的轉(zhuǎn)子搬送到涂敷機(jī)上料位處，整個過程要求穩(wěn)定可靠，故有以下幾點(diǎn)要求：（1）夾具在取放過程中不得夾傷產(chǎn)品；（2）在運(yùn)送過程中有掉料檢測；（3）機(jī)械手取放位置可調(diào)；（4）機(jī)械手具有手、自動控制切換功能；（5）機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)動平穩(wěn)可靠；（6）生產(chǎn)節(jié)拍為9s。

3自動上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

根據(jù)自動上料機(jī)械手工作環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種直角坐標(biāo)上料機(jī)械手，上料機(jī)械手主要負(fù)責(zé)把輸送線的轉(zhuǎn)子搬送到蒙套組裝機(jī)構(gòu)，同時(shí)把組裝好的轉(zhuǎn)子取出，搬運(yùn)到涂覆機(jī)內(nèi)。其中這種直角坐標(biāo)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中比較常見，被廣泛應(yīng)用。上料機(jī)械手的組成分別為：控制系統(tǒng)、驅(qū)動模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)送邏輯指令給到驅(qū)動模塊，由驅(qū)動模塊驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行搬運(yùn)、拾取、放置等動作；檢測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并把監(jiān)測結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。

3.1機(jī)械手主要部件選型

驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要組成部分，機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置[5]。根據(jù)機(jī)械手取放位置可調(diào)以及要實(shí)現(xiàn)多位置取放的設(shè)計(jì)要求，選擇采用伺服電機(jī)帶動絲桿作為機(jī)械手的驅(qū)動模塊，同時(shí)結(jié)合取放要求尾端手抓采用氣缸的形式抓取。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍為9s，伺服額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，啟動與停止時(shí)間為約0.2s；X軸位移分別為550mm、63mm與500mm；Y軸補(bǔ)償行程約250mm，與X軸同步進(jìn)行，不計(jì)入節(jié)拍內(nèi)；Z軸最低與最高位之間高度差為243mm。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)初步選定，X軸絲桿導(dǎo)程為20mm，Y軸導(dǎo)程也是20mm，Z軸導(dǎo)程為10mm。根據(jù)：可得X軸，550mm用時(shí)0.75s；500mm用時(shí)0.7s；當(dāng)X軸運(yùn)動63mm時(shí)，為避免X軸加速度過大而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，同時(shí)啟動與停止時(shí)間也按0.2s計(jì)算，可得用時(shí)0.4s，此段加速度為1575mm/s2。同理可得Z軸走250mm用時(shí)0.7s；其中氣缸取放時(shí)間約為0.4s。因此整體節(jié)拍時(shí)間為8.6s，滿足生產(chǎn)需求。根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量約為200g，同時(shí)取2個，共約400g；單個氣缸約為270g，需要4個，共約1080g；氣缸安裝板約350g；夾具約150g，需8個，共約1200g；Z軸實(shí)際最大負(fù)載約為3430g。因此根據(jù)模組生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)（圖2），同時(shí)結(jié)合節(jié)拍要求，選擇導(dǎo)程為10mm，垂直負(fù)載為5kg的模組，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用的情況，保留一定安全可調(diào)行程，選擇有效行程為300mm的模組。同樣的計(jì)算可以選出Y軸的行程為300mm，水平負(fù)載40kg；X軸的行程為1250mm，水平負(fù)載83kg。

3.2自動上料機(jī)械手關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

上下料的過程是否安全、可靠，與機(jī)械手的穩(wěn)定性有著極為密切的關(guān)聯(lián)，由于機(jī)械手抓取的工件規(guī)格、尺寸、形狀存在一定的差異，從而使得機(jī)器手的樣式較多，其中比較常見的有鉗式和吸附式兩種手抓設(shè)計(jì)[6]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為保證產(chǎn)品在運(yùn)動過程中不會掉落，要求機(jī)械手抓的夾取要穩(wěn)當(dāng)，同時(shí)又不能夾傷產(chǎn)品，結(jié)合到選擇的型號進(jìn)行手抓設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子的外形為圓柱體，因此在設(shè)計(jì)夾具時(shí)采用V形面夾取轉(zhuǎn)子，同時(shí)為了避免制造的誤差導(dǎo)致夾取不穩(wěn)，在中部做避空位，設(shè)計(jì)如圖3所示。根據(jù)選擇的模組型號得知，X軸跨度較大，為了保證機(jī)械手在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定，選擇截面為100mm×100mm，壁厚為4mm的方通設(shè)計(jì)機(jī)械手的安裝柱。由于機(jī)械手安裝高度在1000mm左右，同時(shí)為保證在機(jī)械手啟停的過程中由于加速度過大導(dǎo)致基礎(chǔ)件的搖晃，在其底部焊接兩塊加強(qiáng)筋。由于整個安裝柱采用的是焊接工藝拼接在一起的，為了減少焊接后應(yīng)力不均而引起的變形，整體焊接采用交錯段焊，同時(shí)在焊接完成后整體需進(jìn)行退火工藝[7]，減少應(yīng)力，最后對上下的焊接鋼板進(jìn)行機(jī)加工，使其滿足機(jī)械手安裝的平直度要求。機(jī)械手連接中，為減少因加工與裝配引起的累計(jì)誤差，每個零部件之間的必須有定位銷[8]進(jìn)行定位，再由螺栓連接。同時(shí)各連接零部件滿足機(jī)械手的剛度與強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了自動上料機(jī)械手，如圖4所示。

4結(jié)束語

自動化生產(chǎn)線不僅能提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也能提高企業(yè)的制造水平與企業(yè)形象。本文所提到的自動化上料機(jī)械手不僅能提高生產(chǎn)效率，同時(shí)降低的能源損耗，已經(jīng)在終端用戶的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。其高精度、高效率、低能耗等特點(diǎn)得到終端客戶的認(rèn)可。

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作者：冼業(yè)榮 單位：廣東省機(jī)械研究所