多工步搬运机械手设计

文章编号:100122354(2000)0420020202

多工步搬运机械手设计Ξ

张　军1,冯志辉2

(11天津市职工电子仪表工程学院,天津　300190;21天津市职工机电学院)

摘要:介绍了阀类控制器壳体加工中专用设备的结构、原理,精度设计、驱动及PL C控制系统设计等内容。

关键词:精度;基准;自定位

中图分类号:TH122 文献标识码:A

1　引　言

随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。壳体是阀类控制器上使用的通用型零件,该零件结构复杂,加工精度高,工艺过程长,壳体质量一直是影响控制器精度的主要指标之一。由于原有壳体的加工设备陈旧,工艺落后等原因,严重影响了控制器的发展。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究开发了多工步搬运机械手。在设备的整体构思,总体布局,机构功能,驱动和控制系统等方面,对原有设备进行了彻底改造,投入运行以来,产品质量稳定,生产率高,工艺成本降低,深受厂家欢迎。

2　工艺过程和总体布局

壳体是用牌号为HPb59-1的有色金属合金,经金属模压铸成型,毛坯精度高。为了满足设计要求,通常首先以壳体外表面为工艺基准,加工壳体端面和定位止口,然后再以止口、端面及外壳凸台为定位基准,加工在壳体圆周上呈幅射状分布的5个径向阶梯孔。径向孔系的加工需要由12个工步完成,其中孔1和孔2的加工过程为:钻孔—攻丝—钻小孔。孔3,孔4和孔5的加工过程为:钻孔—攻丝。多工步搬运机械手是加工壳体径向孔类的专用设备。整机由框架、动力头、机械手、夹具、排屑机构,液压驱动和控制系统等七部分组成,其全部工艺过程和总体布局如图1所示。

整机呈口字型框架结构,框架上面的导轨上吊装着13个机械手,下面的工作台面上设有13个辅助定位夹具,其中第3、6、8和10号4个夹具的转位动作由转位液压缸和齿条、齿轮组成的传动副完成。除零号夹具以外,其余12个夹具后面,分别安装有12个呈线性排列的动力头,进行钻孔和攻丝,动力头的进给和后退分别由装在分配轴上的12个凸轮来控制,分配轴的动力由主电机(1.5kW,1440r/ min)通过行星摆线减速器带动蜗轮和蜗杆机构提供,各动力头的初始位置可由各自的调整机构来完成。为便于排屑,在动力头和夹具下面设有由计数器控制的排屑电机,经减速后启动传送带进行排屑,可在不停机的情况下,每加工5个工件自动地清理切屑

。

图1　工艺过程和总体布局

3　多工步搬运机械手设计

311　结构组成和工作原理

我们设计的多工步搬运机械手是一个直角坐标型式的二自由度机械手,其职能符号和结构,原理如图2所示。

整机框架的导轨上安装有一个单杆双作用液压缸,缸体固定。与活塞杆连接的滑块上刚性地吊装着13个机械手,当活塞杆运动时,可使13个机械手同步完成左右横移动,机械手的手臂是一个伸缩式复合液压缸,手臂缸的活塞杆是夹紧缸的缸体,夹紧

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零部件设计专题论文《机械设计》2000年4月№4

Ξ收稿日期:1999208218;　修订日期:1999212220

作者简介:张军(1947-),女,天津市职工电子仪表工程学院副教授。

该项目获国家科技进步奖。

缸的活塞杆作为传力机构驱动以销轴为铰链的内卡钳式4指抓手,完成工件的抓取和释放。为了防止手臂在上升和下降运动中,由于受力不均产生的扭转影响工件的定位精度,在手臂活塞杆上装有导向螺钉,螺钉与端盖上的弯板滑槽配合进行轴向导向。夹紧缸的下端盖的止口端面和外径分别作为工件加工时的第一和第二基准,13个机械手同时完成工件的自定位,夹紧,一起搬运工件进行工序间转换,生产率大为提高

。

11连接螺钉　21升降液压缸　31弯板,导向螺钉　41夹紧液压缸51抓手　61铰链　71工件　81定位元件　91垫片　101球面垫圈111连接杆　121小活塞杆(传力机构)　131横移缸

图2　职能符号和结构原理图

312　机械手的精度设计

机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精

度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。 由壳体零件的设计要求知道,阶梯径向孔系与壳体端面和定位止口中心线的平行度、垂直度和同轴度均有严格的精度要求(011mm )。设计中我们取动力头回转中心线与夹具中心线之间的同轴度为0106mm ,动力头回转中心线与机械手中心线之间的垂直度为0103mm ,同时还对机械手的定位准确性提出了较高的要求。 遵循基准重合原则,加工中以夹紧缸下端盖上的止口端面和外径作为第一和第二基准面分别清除工件的三个自由度和两个自由度,由壳体外端面凸台在夹具中清除第六个自由度。设计中选取夹具的定位元件为锥体结构,保证工件有较高的对中性,并确保工件在夹紧时能很好地进行自定位(工件外面类似球形)。工件径向阶梯孔的周向位置精度由转位夹具予以保证。 工件安装在框架下工作台面的夹具中,机械手

吊装在框架上面的滑轨上,每个工件都要经过机械手12次搬运才能完成全部工艺过程,所以机械手的抓取精度在设计中十分重要。影响机械手抓取精度的因素很多,例如:框架上导轨面对框架下部工作台面的平行度T 1,夹具中定位元件中心线对工作台面的垂直度T 2,机械手的手部中心线对导轨安装面的垂直度T 3,机械手的手部中心线和夹具定位元件

(略去工件中心线与定位元件中心线之间的同轴度

误差)中心线的同轴度即抓手的抓取精度为封闭环

T ∑,构成如图3

所示尺寸链。

图3　尺寸链

设计中我们取抓手抓取精度T ∑=0.1mm ,则分配给各组成环的公差为:T 1=0.05/220,T 2=0.03/130,T 3=0.03/400,同时取夹紧缸下端止口

定位端面与止口外径的垂直度为0103mm ,取止口定位外径与工件止口内径的配合尺寸<44A 11/

g8,即:孔的尺寸为<44A 11(+0.48

+0.32),外径即相当于轴的尺寸为<44g 8(-0.009-0.048)则可以计算出最大配合

间隙为01528mm ,最小配合间隙为01329mm ,均能满足抓取精度要求。机械手臂部复合液压缸中配合精度的设计,全部参照液压缸的设计要求确定。 由于12个机械手固定吊装在横移缸活塞杆的滑块上,各机械手之间的设计精度取±0.03mm ,横移缸采用传感器和机械挡块作为定位系统,机械手的运动速度不高(<30cm/s ),所以重复定位精度可达±0.02mm ,另外横移液压缸端部由于采用缓冲装置,使机械手运动平稳性也得到了可靠的保证。 机械手的抓取能力可参照钳爪式手部的有关公式,结合机械手的几何参数进行计算。由于壳体重量较轻(≤2kg ),夹紧缸内径d =40mm ,所以在液压驱动系统中有足够大的夹紧力。

4　机械手的驱动系统设计

机械手的驱动系统采用液压方式,它具有在同等输出功率下传动装置体积小、重量轻、运动平稳、动态性能好等特点,13个机械手的左右横移,上升

和下降及夹紧和松开等动作及4个自动转位夹具的回转运动,分别采用由方向阀和节流阀控制的18个

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