詹玉新

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

0 引言

壁掛板是壁式空調(diào)安裝的必備件，而鉚接是壁掛板生產(chǎn)的一道重要工序。目前，鉚接后的壁掛板大多采用人工下料方式，不僅生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且從鉚接機(jī)中取料危險(xiǎn)性大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。近年來，為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在各行各業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛.胡傳松研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在沖床行業(yè)中的應(yīng)用，[1]劉波等研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在瓷磚打包生產(chǎn)線中的應(yīng)用，[2]王慰軍等研究了一種用于防撞梁抓取的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的應(yīng)用。[3]

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，提高壁掛板在取料和放料過程中的效率與精準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)一種用于壁掛板鉚接生產(chǎn)過程中的下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手下料的自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率，減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 生產(chǎn)工藝分析

該下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手是對(duì)在鉚接機(jī)上鉚接后的成品橫板與豎板組合件進(jìn)行自動(dòng)下料使用，下料后自動(dòng)放置在下料小車上，完成壁掛板的鉚接生產(chǎn)。其生產(chǎn)流程為：兩個(gè)橫板和一個(gè)豎板鉚接后為一個(gè)成品，兩個(gè)橫板與豎板分別通過上道工序放置到鉚接機(jī)的模具中，鉚接機(jī)進(jìn)行鉚接，橫板與豎板鉚接完成后，下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，抓手部件到達(dá)工件上，自動(dòng)吸取鉚接完成后的壁掛板成品，并返回下料放置到下料小車上，為提高生產(chǎn)效率，抓手部件一次吸取兩個(gè)成品。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)工藝，其下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手與鉚接機(jī)及下料小車的工作位置布置圖如圖1所示。

圖1 下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手工作位置布置圖

當(dāng)鉚接機(jī)完成橫板與豎板的鉚接過程后，下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到鉚接機(jī)中，并進(jìn)行吸料，并返回下料，把工件放置到下料小車中。為使機(jī)械手準(zhǔn)確進(jìn)到鉚接機(jī)工件上方，設(shè)置了機(jī)械手具有上下、前后方向移動(dòng)的功能。根據(jù)工件地?cái)[動(dòng)要求，機(jī)械手在下料后放置在下料小車上，機(jī)械手末端具有翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

鉚接后的壁掛板成品組件規(guī)格有多種，但產(chǎn)品尺寸相差不大，該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手具有多規(guī)格兼容性，下面以產(chǎn)品尺寸長(zhǎng)寬550×210為例。

根據(jù)生產(chǎn)工藝及下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手功能要求，設(shè)計(jì)該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手由1底座部件、2升降機(jī)構(gòu)部件、3機(jī)械手左右移動(dòng)部件、4抓手翻轉(zhuǎn)部件組成，其總裝圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手總裝圖

下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手總體采用立式結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備在高速運(yùn)行過程中整體的剛度與強(qiáng)度，升降部件由電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，從而使其前后移動(dòng)部件和手部翻轉(zhuǎn)部件能夠整體上下移動(dòng)。前后移動(dòng)部件由電機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)，滑軌滑塊機(jī)構(gòu)起承載與導(dǎo)向作用，從而使手部翻轉(zhuǎn)部件在滑軌滑塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向下隨同步帶運(yùn)動(dòng)。在工件下料擺放時(shí)，下料小車上下四層，前后擺放沿著桿子的長(zhǎng)度，故升降移動(dòng)電機(jī)和前后電機(jī)均采用伺服電機(jī)。由于盛放工件的小車上下桿均互相平行，翻轉(zhuǎn)出料抓手在放料翻轉(zhuǎn)工件時(shí)角度固定，故手部翻轉(zhuǎn)部件采用氣缸驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)，將氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪的擺動(dòng)，從而使得固定在齒輪上的連桿帶動(dòng)工件能夠?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并放料到下料小車上。其機(jī)械手翻轉(zhuǎn)后的動(dòng)作圖如圖3所示，擺放工件的下料小車結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。擺放工件的下料小車包括：5腳輪導(dǎo)向板、6可固定腳輪、7阻擋桿插管、8小車框架、9支撐桿、10工件、11阻擋桿。

圖3 機(jī)械手翻轉(zhuǎn)后動(dòng)作圖

圖4 下料小車結(jié)構(gòu)圖

工件擺放在支撐桿上，當(dāng)下料工件擺放完成時(shí)，11阻擋桿插入到7阻擋桿插管中，然后把下料小車推走。所以，工件在放料的時(shí)候，機(jī)械手需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作才能擺放工件。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)組成，其工作原理與過程如下：

初始狀態(tài)時(shí)，抓手翻轉(zhuǎn)部件處于系統(tǒng)初始位置，當(dāng)壁掛板鉚接完成后，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手接受到鉚接機(jī)發(fā)出的信號(hào)，機(jī)械手前后移動(dòng)部件帶動(dòng)手部翻轉(zhuǎn)部件手向鉚接機(jī)鉚接機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，到位后，升降部件向下運(yùn)動(dòng)，手部翻轉(zhuǎn)部件中的海綿吸盤接觸到工件，然后，吸盤產(chǎn)生真空，利用負(fù)壓并吸住工件后，升降部件向上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)下料擺放位置，把吸盤連同工件向上提起一定高度，接著前后移動(dòng)部件向后運(yùn)動(dòng)，手部翻轉(zhuǎn)部件向后翻轉(zhuǎn)，使壁掛板調(diào)整角度，并放置到下料小車上，完成整個(gè)一個(gè)周期來回動(dòng)作.一個(gè)周期來回動(dòng)作時(shí)間為16秒，一次取放2件，滿足一件8秒的生產(chǎn)效率。

2.2 抓手翻轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)

圖5抓手翻轉(zhuǎn)部件組成結(jié)構(gòu)由20翻轉(zhuǎn)連接板、21固定底板、22氣缸、23導(dǎo)向槽、24直線齒條、25翻轉(zhuǎn)支架、26圓柱齒輪、27翻轉(zhuǎn)軸、28手部連接板、29吸盤固定板、30海綿吸盤、31壁掛板等主要零部件組成。為減輕手部翻轉(zhuǎn)部件的重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，翻轉(zhuǎn)連接板、固定頂板、手部連接板及吸盤固定板均采用鋁板6061材質(zhì)。

圖5 抓手翻轉(zhuǎn)部件圖

翻轉(zhuǎn)連接板固定在前后移動(dòng)部件上，固定底板為整個(gè)手部翻轉(zhuǎn)部件的安裝件，使其與翻轉(zhuǎn)連接板一起隨著前后移動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

工作時(shí)，氣缸驅(qū)動(dòng)直線齒條，使其沿著導(dǎo)向槽移動(dòng)，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)原理，[4]把齒條的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣固連于齒輪的翻轉(zhuǎn)軸及其連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，使得海綿吸盤帶動(dòng)工件能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)下料。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手?jǐn)[放要求，手部連接板及吸盤需回轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)下料擺放，故手部連接板帶動(dòng)吸盤回轉(zhuǎn)90°時(shí)即齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°。直線齒條的運(yùn)動(dòng)是通過氣缸活塞桿帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)齒條相對(duì)應(yīng)的移動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算如下：

依據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工作要求，一個(gè)工作行程來回動(dòng)作時(shí)間為16秒，所以，齒輪的轉(zhuǎn)速為5.625°/s。由于設(shè)計(jì)的齒輪分度圓直徑為：d=mz=2.5×24=60mm.故齒條的一次往復(fù)移動(dòng)距離為：L=60π×(90°/360°)≈47mm，從而選擇對(duì)應(yīng)的氣缸行程為50mm，再根據(jù)負(fù)載大小，選擇對(duì)應(yīng)的氣缸型號(hào):RDQL63-50M-M9B,品牌為SMC。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手采用三菱PLC控制，根據(jù)工作過程及機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),[5]當(dāng)程序在計(jì)算機(jī)中編制好后，并通過PLC調(diào)試及試運(yùn)行后，下載上傳到到控制器中。在運(yùn)行過程中，該程序具有手動(dòng)實(shí)時(shí)啟動(dòng)、停止、復(fù)位的功能。當(dāng)鉚接機(jī)鉚接完成后的信號(hào)輸入到PLC控制器后，PLC控制器接受信號(hào)后，發(fā)出指令給上下移動(dòng)部件與前后移動(dòng)部件的伺服電機(jī)和電磁閥，使得機(jī)械手的末端抓手翻轉(zhuǎn)部件的海綿吸盤進(jìn)入到鉚接機(jī)鉚接后的工件待吸取位置，海綿吸盤產(chǎn)生動(dòng)作吸取工件。通過伺服電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作，從鉚接機(jī)返回到待放料位置時(shí)，PLC控制器發(fā)出指令控制翻轉(zhuǎn)氣缸電磁閥，完成手部的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，把工件放置到下料小車中。在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程中，其位置信號(hào)均是通過位置傳感器觸發(fā)信號(hào)給PLC控制器，然后，PLC控制器接受到信號(hào)后，根據(jù)動(dòng)作及程序再發(fā)出動(dòng)作指令，以保證下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的安全性及位置準(zhǔn)確性?；谌釶LC控制器[6]設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖6所示：

圖6 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝分析，對(duì)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化下料與放料，一次性取放兩件，滿足8秒生產(chǎn)一件的節(jié)拍及效率，不僅降低了人工成本，而且提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化。