李明，栗全慶

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450015)

1 機(jī)械手與壓裝機(jī)的配置關(guān)系及工作過程

文中所介紹的裝卸料機(jī)械手用于某品牌汽車某組件裝配線的壓裝機(jī)上，在兩臺壓裝機(jī)和物料自動輸送線之間實(shí)現(xiàn)物料的自動安裝、卸下和傳遞，并保證準(zhǔn)確定位。該機(jī)械手能裝卸多種型號組件以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的多品種加工。機(jī)械手與壓裝機(jī)、輸送料臺及輸送線的配置關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)械手與壓裝機(jī)、物料輸送線的配置關(guān)系

該裝卸料機(jī)械手的工作過程如下:首先由機(jī)械手的手臂伸向壓裝機(jī)1 的上料臺，并由手部握緊已壓裝好的組件，往上抬起離開定位裝置，手臂縮回，并水平逆時(shí)針回轉(zhuǎn)180°至輸送料臺上方，手腕帶動組件翻轉(zhuǎn)180°，調(diào)位完畢，手臂伸出，機(jī)械手手臂下降，將組件放置在輸送線對應(yīng)料臺上定位，通過輸送裝置，將組件送出至壓裝機(jī)2，以備使用。同時(shí)，輸送裝置將下一個待壓裝組件輸送到位，機(jī)械手抓取組件輸送至壓裝機(jī)1，開始下一個工作循環(huán)。由輸送裝置實(shí)現(xiàn)兩壓裝機(jī)之間組件的輸送。

2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手因具有良好的靈活性，工作范圍較大，剛度和精度較好、占地面積小，且在結(jié)構(gòu)上易于實(shí)現(xiàn)，在機(jī)械制造生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用［1－2］。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)的機(jī)械手的基本形式采用圓柱坐標(biāo)型。從既滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要又盡量減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度考慮，取機(jī)械手的自由度數(shù)為4 個:大臂(立柱)的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，小臂的伸縮運(yùn)動及手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因機(jī)械手抓取部位組件的形狀基本上為圓柱形，故采用兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持式機(jī)械手，回轉(zhuǎn)型手指的張開閉合靠根部(以樞軸支點(diǎn)為中心)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動來完成。這種手指結(jié)構(gòu)簡單、形狀小巧，但夾持不同尺寸的工件時(shí)會產(chǎn)生定位偏差，即夾持誤差，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意將夾持誤差限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，才能保證機(jī)械手有效地工作［3］。機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)械手的手臂

手臂是支持手指和手腕部分的機(jī)構(gòu)，是機(jī)械手的主要部件。該機(jī)械手手臂由小臂(橫臂)和大臂(立柱)組成，小臂完成伸縮運(yùn)動，大臂完成升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，大臂回轉(zhuǎn)范圍為180°，用以實(shí)現(xiàn)組件在壓裝機(jī)與輸送料臺之間的裝卸，大臂與機(jī)座連接在一起。在機(jī)械手小臂伸縮缸的兩側(cè)，設(shè)置了雙導(dǎo)向桿的導(dǎo)向裝置，用作伸縮運(yùn)動的導(dǎo)向，以防止手腕、手部繞油缸的軸線轉(zhuǎn)動，保證手指的正確方向，并同時(shí)承受部分偏重力矩。

大臂的回轉(zhuǎn)與升降是通過立柱的運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，采用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的形式。升降機(jī)構(gòu)上部的回轉(zhuǎn)油缸帶動小臂伸縮機(jī)構(gòu)等做180°的回轉(zhuǎn)，大臂的升降運(yùn)動由立柱升降油缸來完成。在升降油缸的活塞桿內(nèi)裝有一花鍵套8，其與固定花鍵軸7 配合(花鍵軸7 用螺母和圓柱銷與升降油缸下端蓋固連)，用以導(dǎo)向和防止活塞套筒的轉(zhuǎn)動。這種布局形式結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，適用于機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量較小的場合。

機(jī)械手手臂要承受組件和本身的質(zhì)量，要保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，且能克服不良力矩的影響，因此必須從結(jié)構(gòu)上保證手臂結(jié)構(gòu)的合理性，合理的設(shè)計(jì)就是應(yīng)在最小質(zhì)量條件下，具有最大的靜剛度［4］。該機(jī)械手的小臂采用Q235 鋼板焊接式框架結(jié)構(gòu)，截面形狀為矩形，通過合理的布置內(nèi)部筋板，從而確保了手臂既質(zhì)量輕，又具有良好的剛性。手臂筋板橫截面形狀，沿縱向不同部位，不盡相同，如圖3所示。為了使回轉(zhuǎn)軸通過大臂重心，克服偏重力矩的影響，在機(jī)械手偏重的基本對稱位置加置了平衡重塊，從而改善了手臂的受力情況。

圖3 機(jī)械手小臂橫截面

2.2 機(jī)械手的手腕和手部

因組件需分別在兩端面壓裝軸套，故機(jī)械手應(yīng)能實(shí)現(xiàn)組件的翻轉(zhuǎn)，采用手腕實(shí)現(xiàn)組件的調(diào)位，而腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由回轉(zhuǎn)油缸來完成。

手部是該機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一，用于抓取組件，因是多品種加工，其組件抓取部位的直徑是變化的，其變化范圍為:φ50 ～φ80，因此合理地確定手爪的開閉角度，提高抓取精度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.3 機(jī)械手直線運(yùn)動油缸的緩沖結(jié)構(gòu)

該機(jī)械手的運(yùn)動全部采用液壓驅(qū)動，因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，必須設(shè)法減輕或避免液壓沖擊和震蕩，提高機(jī)械手運(yùn)動的平穩(wěn)性。為此在機(jī)械手的小臂伸縮油缸和大臂升降油缸的設(shè)計(jì)中，采用了德國Hüller-Hille 公司發(fā)明研制的動力油缸針閥式緩沖活塞［5］，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。針閥式緩沖活塞可在油壓改變的瞬間，高、低壓兩腔通過φ4 孔與滾針之間形成的環(huán)形空間連通，使高壓腔溢流，從而達(dá)到減小或避免液壓沖擊的目的。針閥式緩沖活塞的工作原理是:正常工作時(shí)(設(shè)活塞向右運(yùn)動)，油缸高壓腔(左腔)一端的鋼球2 和該端φ6.3 孔底錐面密切貼合(裝配時(shí)，要求φ6.3 孔的孔底錐面分別與兩鋼球配研)，φ4 孔被堵，針閥無溢流作用，高壓腔油液不能向低壓腔流動，兩腔封閉，活塞正常運(yùn)動。如果活塞的運(yùn)動突然停止或者換向，油缸原低壓腔(右腔)的壓力會急劇升高，引起液壓沖擊［6］。此時(shí)，針閥式緩沖活塞可以使油缸兩腔瞬時(shí)互通，從而減小液壓沖擊，起到緩沖作用。即右腔的高壓油會通過擋板1 上的油孔，經(jīng)過空心彈性銷4，流入活塞的階梯孔內(nèi)，推動鋼球2 和滾針3 向左移動，并流經(jīng)φ4 針孔，推動左端鋼球2 向左移動，油液經(jīng)左擋板油口流至左油腔，兩腔貫通，從而減低了右腔高壓油的峰值，減緩或消除了液壓沖擊。右鋼球2 從開始向左端運(yùn)動并從右端堵住φ4 孔的時(shí)間，就是溢流時(shí)間，而溢流時(shí)間的長短可通過控制滾針和φ4 孔的長度差來設(shè)定。

圖4 動力油缸的針閥式緩沖活塞

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)的使用，成功地解決了液壓動力油缸所產(chǎn)生的沖擊和振蕩，大大提高了機(jī)械手的定位精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性。

3 手部的抓取誤差

回轉(zhuǎn)型手指夾持工件，當(dāng)工件的直徑有變化時(shí)，將引起工件軸心的偏移，這個偏移量稱為夾持誤差［3，7］。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。當(dāng)機(jī)械手用于多品種生產(chǎn)加工時(shí)，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)的變化，在機(jī)械加工中，通常要求手指抓取工件的定位誤差不超過±1 mm［8］，因此根據(jù)生產(chǎn)線多品種加工的需要，設(shè)計(jì)合理的手部結(jié)構(gòu)，確定正確的手部尺寸參數(shù)，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

該機(jī)械手手指的抓取動作由斜楔杠桿外夾式回轉(zhuǎn)型手部來實(shí)現(xiàn)，抓取動力由單作用油缸來提供。因組件夾持部位的外形基本為圓柱形，故其雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手部采用V 型手指。V 型手指可根據(jù)抓取組件的規(guī)格不同而進(jìn)行更換。

手部各部分尺寸是按給定的組件抓取部位的最大直徑和最小直徑來確定的，一般來說，為了減少夾持誤差，可適當(dāng)加長手指長度，但手指過長，整個手部結(jié)構(gòu)就要增大，影響手部的剛性;另一方面也可通過選取合適的偏轉(zhuǎn)角度β，使夾持誤差最小。但對于雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手部，偏轉(zhuǎn)角β 的大小不是僅僅按夾持誤差為最小的條件來確定，還要考慮在抓取半徑較小的工件時(shí)，不能出現(xiàn)兩手指的BE 和B'E'邊平行，造成抓不著工件的現(xiàn)象［8］。為避免上述情況發(fā)生，通常按手爪抓取工件的平均半徑，來確定雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角β。

該機(jī)械手手部的尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 機(jī)械手手部尺寸

工件的最大半徑Rmax為40 mm，工件的最小半徑Rmin為25 mm，工件的平均半徑R0為32.5 mm，機(jī)械手手指指長lAB為80 mm，兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離2a 為75 mm，即a 為37.5 mm，夾持V 型槽的夾角2θ為120°，既θ = 60°。按上述參數(shù)計(jì)算，偏轉(zhuǎn)角β 為62°，則機(jī)械手的最大夾持誤差為0.639 mm，滿足要求。

4 結(jié)束語

該壓裝機(jī)裝卸料機(jī)械手，在滿足有關(guān)生產(chǎn)效率和工作可靠性目標(biāo)的同時(shí)，一方面采用了較為簡單的結(jié)構(gòu)，不但降低了設(shè)計(jì)和制造成本，而且有助于提高系統(tǒng)可靠性;另一方面采用了國際先進(jìn)的緩沖式液壓油缸，進(jìn)一步有效地提高了機(jī)械手定位的精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性。該機(jī)械手定位準(zhǔn)確，抓取精度高，是該型號組件裝配線上的關(guān)鍵裝備之一，為保證該生產(chǎn)線的效率和質(zhì)量作出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。

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