铸造生产线自动脱分箱机械手的设计

1前言
机械手是模仿着人手的部分动作, 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中, 它代替人进行正常的工作, 意义更为重大。

因此, 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

机械手的结构形式开始比较简单, 专用性较强, 仅为某台机床的上下料装置, 是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展, 制成了能够独立的按程序控制实现重复操作, 适用范围比较广的“程序控制通用机械手”, 简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序, 适应性较强, 所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

造型机主要解决了造型过程中型砂紧实和起模工序的机械化和自动化的问题。

而要浇注一个铸型除了紧实和起模工序外, 对于有箱造型来说, 还有许多辅助工序, 如翻箱、合箱、压铁、浇注、落砂以及砂箱的运输等。

这些辅助工序如果不实现自动化, 将会大大增加工人的劳动强度和降低生产的效率。

在我国社会主义建设中, 随着机械工业的高速发展, 对铸件的需要量也越来越大, 为了进一步提高生产率, 减轻劳动强度, 改善劳动条件, 提高铸件质量, 组成机械化、自动化生产工具线, 是发展的必然趋势。

近年来, 我国出现了一大批各种形式的机械化、自动化生产线。

国外各种高效率的造型生产线发展迅速, 而且电子计算机技术已经开始应用于自动化造型生产线的控制上。

所谓造型生产线, 就是根据生产铸件的工艺要求, 将主机（造型机）、辅机（翻箱机、合箱机、落箱机、压铁机、脱分箱机等）按照一定的工艺流程, 用运输设备（铸型输送机、辊道等）联系起来, 并采用一定控制方法来组成的机械化、自动化生产线。

造型生产线的种类很多, 它们的结构、布置形式、控制方法都视根据生产工具的实际情况不同而设计的, 但一般都由主机、辅机和运输设备组成。

造型生产线的布置根据具体的条件来确定。

按照布置形式和所选用铸型输送机的类型不同, 造型生产线分为封闭式（环形）和开放式（直线型）两种。

封闭式的造型生产线和开放式的造型生产线互相比较之后, 他们在原理上有些不同, 封闭式的造型生产线是采用连续式和脉动式铸型输送机组成不间断的环状流水线, 开放式的造型生产线是采用间歇式铸型输送机组成直线布置的流水线, 并且他们两者也有各自的特点: （1）开放式的布置对铸型来说能形成一个合适的储存段和较为灵活的冷却段, 而封闭式的布置较难做到；（2）开放式布
线较为灵活, 受车间限制较小, 而封闭式布线受车间限制较大；（3）封闭式布置铸型运转少, 辅机类型少, 对控制系统较为有利, 而开放式布置运转多, 控制系统较复杂。

因此, 对于大量生产、连续浇注的铸件来说, 不需要铸型的存储, 所以选择辅机少的封闭式环形线较为合适。

而对于品种多而批量较少、周期性浇注（铸钢生产中, 由于钢水是周期性供应的, 而在浇注时又要求很快浇完）的铸件生产, 希望有适当的铸型存储和不同的型内冷却时间, 用开放式直线行布置较为有利。

封闭式的环形线有两种基本的布置形式, 既串联式和并联式。

串联式布置的造型生产线是造型机组沿铸型输送机呈直线布置, 造好型的砂箱从主机到合箱机之间运行的方向和铸型机主要运行方向平行。

并联式布置的造型机生产线是造型机组垂直于铸型输送机并排布置, 造好型的砂箱从主机到合箱机之间运行的方向和铸型输送机的主要运行方向垂直。

串联式和并联式的造型生产线, 主、辅机可以布置在线内, 也可以布置在线外。

布置在线内时, 铸型输送机因转变半径所占面积可以得到利用, 但对更换工艺装备, 运送泥芯、设备检修和操作人员进入不方便；布置在线外时, 则效果与上相反。

在铸造生产过程中, 需要将源源不断的输送过来的工件取过来, 放到一定位置, 由于重复性地进行某一动作, 需要速度一样, 节奏一样,而且操作每一个环节不能停止, 保持操作的连续性, 如果采用人工操作, 不但达不到预期的要求, 影响生产的效率, 还会因为过大的劳动强度, 对工人的身心造成伤害。

由于以往造型生产线设备比较繁杂, 劳动强度大, 生产效率低, 同时工作环境又相当恶劣, 噪音, 粉尘等都会对生产造成影响, 为了改善劳动条件, 减轻工人的劳动强度, 社会急需要一种新的造型生产线的出现。

从八十年代发展起来的气流冲击造型生产
线便有了它的发展空间
随着相关技术的发展, 造型设备的驱动方式除了广泛采用气动外, 也较多的采用液压驱动。

在控制方面, 不仅有气控和电气控制的, 而且还有电子的。

有的造型自动线采用电子计算机进行控制。

因此, 现代化的造型设备往往是综合运用机械、气动、液压、电气及电子技术, 以实现造型过程的机械化、自动化并达到较
高的经济指标[1]。

2脱分箱机械手的工作环境
2.1自动铸造生产线—气流冲击造型线的简介
本线采用单机开放式布线形式, 主机位三立柱机外加砂气流冲击造型机。

气流冲击造型是八十年代发展起来的一种新型铸造工艺, 这种工艺方法的实质就是利用快速释放的气体冲击波的能量在极短的时间内来紧实型砂。

这种造型方法与传统造型方法相比, 具有许多优点: (I)在气流冲击生产的强大冲击波和较大的侧压力作用下, 砂型紧实度高且均勾. 砂型平均硬度在85个硬度单位以上, 以利于提商铸一件尺寸精度和节约金属。

(2)砂型硬度分布走向台理, 即离分型面越远, 紧实度越低。

增加了砂型的透气性, 造出的砂型不用扎气眼, 为浇注台格铸件, 减少废品创造了条件。

(3)生产效率高, 适于铸件批置生产。

该线为单主机组成, 现已迭52箱, h的生产能力。

(4)对型砂的湿压强度和水分要求比较严格, 即湿压强度为0. O9～O. 13MPa、水分低于4％。

前者太低, 砂型易沉箱, 后者太高, 铸件质量难于保证。

(5)造型线工作噪声在85dB(A)以下。

比微震压实造型线和震压造型线的工作噪声都低, 大大改善了劳动环境。

(6)电气控制选用先进的进口PC控 4系统。

结构简单, 体积小, 性能可靠。

(7)采用该线比进口一条相同规格的气流冲击造型线节约投资3, 4～4／5, 并节省大量外汇。

也利于易损件的配套供货和方便维修(8)全线布局合理, 结构紧凑、设备操作方便, 造型机带有模叛穿棱机构, 可在不停机的情况下交替造上下型。

为完成此工艺, 造型生产线上还需要各种辅助机械, 包括有：气流冲击造型机、台面清扫机、落箱机、铣浇口机、液压气动系统、电气系统、脱箱分箱机、合箱机、浇注倾斜机构、输送滚道、推缓机构、铸型输送机、鳞板机、落砂机、翻箱机。

主要技术参数:
1 砂箱内尺寸 950×630×250／250 毫米
2 设计生产率 45 整型/小时
3 台车规格 1250×986×155 毫米
4 冷却段排数 1 排
5 下芯段长度
6 节
6 浇注段长度 9（3）节（组）
7 最短冷却时间 45.3 分钟
8 供应压力 0.55 兆帕
9 工作油压 7.0—8.0 兆帕
10 全线设备总用电量 97.65 千瓦
10.1 液压站 2×30 千瓦
10.2 落砂机 2×3.7 千瓦
10.3 鳞板机 3 千瓦
10.4 过度车 2×1.5 千瓦
10.5 脱分箱机 2×1.5 千瓦
10.6 翻箱机 2×1.5 千瓦
10.7 铣浇口机 0.75 千瓦
10.8 松砂机 5.5 千瓦
10.9 皮带机 7.5 千瓦
10.10 电磁铁 3 千瓦
10.11 感应开关 1.5 千瓦
11 冷却水用量 25 立方米／小时
12 冷却水压力＞0.2 兆帕
13 型砂消耗量 29 吨／小时
14 自由空气消耗量 12 立方米／小时
15 全线需用砂箱数 52＋0.5 付＋1片上箱
16 全线需用台车数51 节
17全线操作人员8—10人2.2生产线对脱分箱机械手的要求
脱分箱机械手是自动铸造生产线—气流冲击造型线的重要设备]2[。

结构组成: 脱箱分箱机主要由下列零部件组成: 脱箱分箱缸、、机械手、机械手缸、增压缸、带清扫刷捅头感应开关架、拖车、缓冲器、限位架、横梁、立柱、支撑导向杆、箱卡打开机构等。

机构关系: 脱箱分箱缸装在拖车上, 活塞杆连接在机械手上, 活塞杆伸缩带动机械手升降；缓冲器装在拖车上, 拖车运行至终点, 缓冲器同限位架接触进行缓冲；立柱将横梁架起, 从而保证设备有关标高；增压缸固定在立柱上, 脱箱时给脱箱分箱增压；机械手的伸缩控制机械手臂的开合, 以完成抓箱和放箱动作。

捅头通过支撑导向杆与拖车相连接；机械手的升降靠支撑导向杆导向；箱卡打开机构和机械手缸装在机械手上；横梁上面装有导轨, 拖车由驱动机构驱动在导轨
上移动；感应开关架上装有开关, 控制机械手的升降行程；限位架装在横梁上, 限制拖车终点位置；
原始位置：脱箱分箱机拖车在分箱位, 机械手在分开箱顶位, 机械手合并抓有上箱, 箱卡打开液压缸缩, 分箱位只有一片上砂箱被机械手吊起。

为了安全, 停机时特设置结束程序, 使得机械手在最低位并张开, 分箱位滚道上有上箱：当全线联动启动时, 特设置启动程序, 使得脱分箱机恢复原位。

完成功能：脱箱分箱机把浇注并冷却了的铸型移到脱箱位, 把砂胎在平鳞板机的鳞板上, 然后将空砂箱移回分箱位进行分箱, 依次把上下砂箱放在输送滚道上。

1）所以要求脱分箱机械手要具有以下性能:
2）准确的定位机构, 以便机械手能准确的工作, 稳定和提高产品的质量
要有足够的刚度、硬度,使机械手不会因变形而失效, 导致无法准确工作3）机械手的灵活性要好, 能够明显的提高工作效率和降低劳动成本
3脱分箱机械手设计
3.1 机械手的分类和组成
3.1.1概述
能模仿人手和臂的某些动作功能, 用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

机械手是最早出现的工业机器人, 也是最早出现的现代机器人, 它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化, 能在有害环境下操作以保护人身安全, 因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件, 根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式, 如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构, 使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作, 改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式, 称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体, 需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多, 机械手的灵活性越大, 通用性越广, 其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制, 来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息, 形成稳定的闭环控制。

控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成, 通过对其编程实现所要功能。

3.1.2机械手的分类
一: 工业机械手的种类很多, 关于分类的问题, 目前在国内尚无统一的分类标准, 在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

(一)按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1.专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点, 适用于大附属, 如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。

2.通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

通过调整可在不同场合使用, 驱动系统和格性能范围内, 其动作程序是可变的, 控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强, 适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位, 只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统, 可以点位控制, 也可以实现连续轨迹控制, 一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

(二)按驱动方式分
1.液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格, 不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响, 且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采用电液伺服驱动系统, 可实现连续轨迹控制, 使机械手的通用性扩大, 但是电液伺服阀的制造精度高, 油液过滤要求严格, 成本高。

2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:介质来源极为方便, 输出力小, 气动动作迅速, 结构简单, 成本低。

但是, 由于空气具有可压缩的特性, 工作速度的稳定性较差, 冲击大, 而且气源压力较低, 抓重一般在30公斤以下, 在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大, 所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3.机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手, 其动力是由工作机械传递的。

它主要特点是运动准确可靠, 动作频率大, 但结构较大, 动作程序不可变。

它常被用于工作主机的上、下料。

4.电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手, 因为不需要中间的转换机构, 故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长, 维护和使用方便。

此类机械手目前还不多, 但有发展前途。

(三)按控制方式分
1.点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动, 只能控制运动过程中几个点的位置, 不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多, 则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2.连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线, 其特点是设定点为无限的, 整个移动过程处于控制之下, 可以实现平稳和准确的运动, 并且使用范围广, 但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制[4]。

（四）按手部运动形式分类
机械手的空间位置一般由六个自由度来确定。

在现实中分为四种:
1. 坐标式: 它的动作范围是球体的一部分。

手臂有上下和水平摆动和一个伸缩动作——既极坐标的三个变量（X、B.C）, 手腕有上下摆动和旋转两个动作等。

2. 圆柱坐标式: 与极坐标不同的是, 手臂不做上下摆动, 而是垂直平移—既相当于圆柱坐标的（x、c、z）。

3. 关节式: 手臂像人的一样有肘关节, 而不是做直线伸缩, 故可通过增加关节实现多个自由度, 动作比较灵活, 便于在狭窄的空间工作。

4. 直角坐标式：手臂在三个方向上都做直线移动（X、Y、Z）, 用于工作位置成行排列的情况。

所有上述这些的机械手, 都具有三个以上的自由度, 能满足像人手一样的在空间定位的基本要求。

怎样使手臂做上述这些动作呢？归纳起来不外有直线移动和转动两种形式。

直线运动可用往返式液压缸来实现, 转动可用旋转液压缸、摆动液压缸或往返液压缸加齿轮、齿条来实现, 关机的连接形式, 也不外是销轴式、回转式和滑动式三种形式。

基本上, 每一个动作（每一个自由度）需要一个单独动作的驱动机构。

这样配合起来就能使手臂式手腕像人手一样灵活的动作了。

（五）按机械手的自由度数目来分类:
按上述分析, 机械手为抓取工件需六个自由度来定位。

但是在实际应用中往往是工件的放置有一定的规律, 所以常常不需要有六个自由度。

具体选几多少个自由度, 要根据的具体的需要和可能来决定。

在本设计中, 由于运动轨迹较为简单, 故只需要两个自由度。

3.1.3机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1.执行机构
1）手部即直接与工件接触的部分, 一般是回转型或平移型, （多为回转型, 因其结构简单）, 手部多为二指（也由多指）, 根据需要分为外抓式和内抓式两种, 也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。

传力机构形式也很多, 常用的有: 滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。

2）腕部是联接手部和手臂的部件, 并可用来调整被抓物体的方位, 以扩大机械手的动作范围, 并使机械手变的更灵巧, 适应性更强。

目前, 应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸, 它的结构紧凑、灵巧, 但回转角度小, 并且要求严格密封, 否则就难保证稳定的输出扭矩。

3）手臂是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件, 并带动它们做空间运动, 它的主要作用是带动手指去抓取工件, 并按预定要求将其搬运到给定的位置, 一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求, 即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。

4）行走机构有的工业机械手带有行走机构, 我国正处于仿真阶段。

2.驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。

采用液压机构速度快, 结构简单, 成本低, 臂力大, 尺寸紧凑, 控制方便。

3.控制机构
在机械手控制上, 有点动控制和连续控制两种, 大多数用插销板进行点动控制, 也有用PLC进行控制, 主要控制的是坐标位置
3.1.4机械手设计主要应考虑的问题
1. 被抓取的对象的分析,（指工件重量、形状、尺寸、材料种类与性质等）, 以便机械手能够准确的工作。

然后还需要考虑如何抓取工件, 采用怎样的手抓、手指机构；
2. 动作要求（指机械手的动作循环、动作范围、单机或多机联合自动等）；
3. 动作速度（指动作的速度、速度的变化情况、生产的节拍、特殊要求等情况）；
4. 输出力或输出力矩（必须考虑机械效率等因素造成的实际要求数值与理论计算数值的差异）；
5. 定位精度（应考虑工件送到预定位置的精度与生产质量的要求来确定定位精度）；
6. 工作环境及其他特殊要求（如高温、低温、多粉尘、毒气辐射等）, 以便选取适当的机构设备；
7. 其他问题（如维修、调整要方便, 要安全、节约等）。

下面从抓取机构开始进行设计, 确定好各个部分的主要参数
3.2 抓取机构
3.2.1概述
即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同, 可分为夹持式和吸附式手部。

夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件, 常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单, 制造容易构件, 故应用较广泛平移型应用较少, 其原因是结构比较复杂, 但平移型手指夹持圆形零件时, 工件直径变化不影响其轴心的位置, 因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多, 式弹簧式和重力式等。

吸附式手部主要由吸盘等构成, 它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件, 相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等, 通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件, 以及有网孔状的板料等, 通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压吸盘和电磁吸盘吸料, 其吸盘的形状、数量、吸附力大小, 根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外, 根据特殊需要, 手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。

设计手爪抓取机构要注意以下几个问题:
1）应具有适当的夹紧力和驱动力, 应考虑到在一定的夹紧力下, 不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

2）手指应具有一定的张开范围, 以便于抓取工件。

3）在保证本身刚度、强度的前提下, 尽可能使结构紧凑、重量轻, 以利于减轻手臂负载。

4）应保证手抓的夹持精度。

3.2.2抓取机构的设计
在选择具体的手爪机构以前, 我们先介绍一下拉近装置和当量握力。

拉紧装置是使手爪张开、合拢的动力装置。

它可以由液压缸或油缸来实现。

采用的液压缸按供油方向分有双作用液压缸和单作用液压缸两种形式。

在单向液压缸中又分为常开式（利用弹簧张开卡抓）和常闭式（利用弹簧加紧工件）两种。

按结构形式分, 可分为活塞缸, 柱塞缸, 和伸缩式套筒缸。

按缸的特殊用途分, 可分为串联缸, 增压缸等。

拉紧液压缸驱动力的计算, 就是根据被抓取工件的力平衡条件, 确定出拉紧液压缸应具有的驱动力, 以便于进一步确定拉紧液压缸的直径。

对于同一个工件, 在采取不同的手爪传动机构时, 由于各种传动机构增力倍数不同, 所以拉紧液压缸上所需要的驱动力也不一样；在采用相同的手爪传动机构时, 由于夹持工件的方向不同（如工件水平放置或垂直放置等）, 手爪的受力状态不同, 因此, 拉紧液压缸上所需的驱动力也不同。

在两指式抓取机构中, 由于驱动力P使一对平行钳口在钳口当中对工件产生两个作用力F, 若忽略了工件的重量（即相当于加紧一个握力表）, 这两个力大小相等。

这两个大小相等的力F称为由驱动力P产生的夹紧力或握力。

而所谓的当量握力, 就是指液压缸拉紧重为G的物体而不使它脱落的最小驱动力, 那个力称为该驱动力方向上的当量握力。

由于本次设计的特殊性, 既夹持部件为铸造砂箱, 质量较大, 仅靠当量握力无法满足安全要求, 故将夹持部位改为卡口形式, 将夹持力转化为手臂的拉力。

3.3机械手活动部分设计
3.3.1 概述
升降液压缸选择的是双作用的行程液压缸, 它的特点是液压油的能量转化为机械供的一种装置。

它能由活塞的两侧输入压力油的液压缸。

双作用液压缸的执行器是液压运动系统的主要的输出设备, 这些执行器将液体压力转换成快速的、可控的线性运动或力, 从而驱动负载。

液压缸是由前端盖、后端盖、节流阀盖、活塞杆、缸体、密封件,以及活塞和活塞杆的轴承面, 对于单向作用液压缸还有复位用的弹簧。

（1）这里的液压缸是指无缓冲作用的液压缸, 所谓的双作用液压缸是指液压油可以在液压缸的两端进入推动液压缸的活塞进行往复运动, 而液压缸
的运动方向是借助于转向阀控制液压油的流向来控制[4]。

其特点是:。