周 浩，盧劍鋒，田紫鋒，潘文見

(貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

自動化機械工作效率高，減輕了工人的勞動強度，在大部分領域得到廣泛應用。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高[1]?，F(xiàn)在大部分的零件供送都運用到機械手結構，而XYZ直角坐標機械手是現(xiàn)在軸類芯體供送最常用的，因其可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來重復搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當然也可以[2]。在制造方面，它制造成本相當?shù)牡停到y(tǒng)結構簡單，只有控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿?、速度快、精度高，可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便[3]。

零件供送裝配裝置在工業(yè)社會中起到的應用情況很大程度上反映一個國家工業(yè)機械化發(fā)展水平，而我國對工業(yè)芯體供送機械手的應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對較低，芯體供送裝置的研究和開發(fā)從根本上會直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟、技術上都需要提高軸類芯體供送裝置的水平。因此，芯體供送裝置的研究設計是非常有現(xiàn)實意義和發(fā)展空間的。

1 自動供送裝配裝置國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國經(jīng)濟起步晚，在軸類芯體供送裝置行業(yè)我國和其他國家相比是發(fā)展較晚的國家，軸類芯體供送裝置行業(yè)前期的發(fā)展比較緩慢，這也是時代大背景造成的，使得我國的軸類芯體供送裝置的發(fā)展處于下風，國外的大量軸類芯體供送裝置都在涌入中國市場，國內(nèi)軸類芯體供送裝置生產(chǎn)商家基本上被動學習與模仿相關技術，沒有掌握重要的技術?，F(xiàn)國內(nèi)在軸類芯體供送裝置的技術一直在完善和提高，設備在不斷升級，已經(jīng)能夠滿足市場上的很大一部分的需求和要求，但是還存在效率偏低、體積偏大等問題[4-6]。

在軸類芯體供送裝置設備方面，美國、德國、日本、意大利和德國的制造水平相對較高，呈現(xiàn)出一種新的趨勢：它們是靈活度高，定位準確，能夠?qū)⑤S類芯體快速定位并運送到指定的裝配位置；能夠多自由度的定位和運送軸類芯體。在外國，軸類芯體自動化的供送領域發(fā)展很快，從早期的人工供送，到三軸機械手供送再到最后的多自由度供送，發(fā)展迅速，在物體供送、抓取、裝配等行業(yè)向著靈活度高、效率高的方向發(fā)展，但是目前國外對于模塊化的自動供送裝置的設計很少[7-8]。

2 方案設計

如圖1所示，芯體定位裝配及運送裝置應用于芯體(及模具)的初始位置已經(jīng)確定的情況下。本設計主要通過控制各伺服電機的轉動的圈數(shù)和轉動的先后順序來完成芯體的供送。

圖1 芯體供送裝置總體布局圖

剛開始由芯體裝配裝置1對芯體與模具進行定位與裝配，然后裝盤機械爪3將芯體(及模具)抓取后，通過XYZ方向運送裝置4移動將芯體(及模具)定位卸載在載盤2進行初始運送，裝滿載盤2后(16個)，載盤2通過轉盤5旋轉然后由卸盤機械爪8將芯體(及模具)抓取后通過X1Y1Z1方向運送裝置6移動將芯體(及模具)定位卸載在X方向運送裝置9進行最終運送，芯體(及模具)到裝配的位置后，這樣就完成一次完整的工藝流程。一個龍門架7上分別固定了XYZ方向運送裝置4和X1Y1Z1方向運送裝置6，解決了現(xiàn)有自動供送裝置體積大的問題。且利用裝盤機械手3與卸盤機械手8同時運作，解決了現(xiàn)有自動供送裝置效率低的問題。設計了專用夾具和芯體裝配裝置1，以此來提高本設計運送芯體的精確度和效率。

2.1 芯體裝夾模具和載盤設計

在芯體供送之前需要通過芯體裝配裝置來定位和夾緊芯體，而芯體(及模具)需要載盤來定位。這樣可以為后續(xù)的芯體供送和芯體的裝配提高效率和準確性。

如圖2所示，芯體的裝夾模具的結構由擋盤1、滑動底板3上分別的兩個通孔與兩個導向桿4相配合而兩個彈簧5又與兩個導向桿4相配合，最后再由兩個鎖緊螺母8限制滑動底板3與擋盤1的最大距離就構成了裝夾模具。

圖2 芯體裝夾模具和載盤結構簡圖

芯體的裝夾過程：剛開始由機械爪將芯體區(qū)分方向，然后用圖3的芯體裝配裝置進行模具的定位與芯體裝配，圖3中的底面2限制了模具5的3個自由度，側擋面6限制了模具5的2個自由度，前擋面3限制了模具5的一個自由度，雙軸式氣缸1可以按圖中實線箭頭方向運動，從而夾緊模具5。筆桿式氣缸4按圖中虛線箭頭方向推動圖2中模具的導向桿4，然后將芯體放入模具5中并將芯體定位孔9對準滑動底板3上的定位圓柱2，該動作限制了芯體的2個自由度然后擋盤1限制了芯體的底面和側面相當于限制了芯體的4個自由度，從而模具完成了對芯體的定位。當筆桿式氣缸沿圖3中虛線箭頭相反方向運動時，圖2中導向桿4上的彈簧5會對擋板1釋放壓力，然后擋板1會沿圖3中虛線箭頭相反方向運動從而將芯體夾緊。這個過程也就完成了芯體與模具的裝夾與定位。

圖3 芯體裝配裝置

如圖4所示，由機械爪將裝夾芯體后的模具水平擺置載盤上并且滑動底板3上的底盤定位孔7和底板鍵槽孔6，要與載盤上定位圓柱10和定位平鍵11對齊，這個過程就完成了芯體(模具)與載盤之間的定位。一個載盤可以定位16個芯體(及模具)。

圖4 芯體(及模具)與載盤裝配簡圖

2.2 送料裝置設計

如圖5所示，芯體(模具)送料裝置：該裝置由電機1通過聯(lián)軸器2帶動絲杠螺母7運動，因為螺母7與載臺5相連接，而載臺5又與滑塊4連接，滑塊4與滑軌3配合，從而導軌3起到了載臺5的導向的作用，從而載臺5可以實現(xiàn)往復直線運動。而載臺5與芯體裝夾模具6通過定位孔與平鍵連接和定位與圖2中芯體(模具)和上料載盤的定位方式相同，最終實現(xiàn)了芯體(模具)的運送。

圖5 芯體裝夾模具與載盤上料裝置

2.3 機械爪裝置設計

如圖6所示，機械爪通過連接塊5和機架7與Z方向載臺8相連接，左側的不完全齒輪2與舵機1相連，而舵機1通過底板6固定，當舵機1轉動時，不完全齒輪桿2也轉動并帶動連桿4和夾緊桿3按一定角度轉動，從而實現(xiàn)機械爪閉合與張開。利用此機械手可以抓取芯體(模具)。

圖6 機械爪裝置

2.4 轉盤裝置設計

如圖7所示，轉盤裝置由電機6通過同步帶7帶動立軸2轉動，立軸2又通過法蘭1連接轉盤8，轉盤8通過如圖2所示的定位圓柱和鍵與載盤9相連接，從而達到電機的轉動帶動載盤的轉動。芯體及(模具)10與載盤9的連接如圖2所示。當裝盤和卸盤機械爪裝卸16個芯體后，轉盤旋轉180°后停止轉動，以此完成循環(huán)。

圖7 轉盤裝置

3 機械爪的連桿計算

芯體及模具的重量大約為1 kg(g=9.8 N/kg)，則重力為：

G=mg=1×9.8=9.8 N

機械爪前端和模具都為鋁材料，由表1取兩者之間的靜摩擦系數(shù)f=1.2。

令機械爪的夾緊力為P，則由最大靜摩擦力F得：

F=f·P

F≥G=9.8 N

考慮到外界影響，所以機械爪的夾緊力必須大于15 N。

部分材料之間的摩擦系數(shù)如表1。

表1 材料之間的摩擦系數(shù)

機械爪如圖8。

圖8 機械爪受力

由下式得：

P1=M·L2

P1T·L3=P·L2

當桿長為:L1=51 mm，L2=33 mm，L3=32 mm。滿足機械爪的夾緊力需求。

4 結語

本設計為芯體定位裝配及運送裝置，針對目前已有的自動供送裝配裝置存在著價格昂貴，而且體積大、效率低等的這些問題，提出了采用模塊化的芯體定位裝配及運送裝置來解決這些問題。該芯體定位裝配及運送裝置分別為芯體裝配裝置、芯體抓取裝置、芯體運輸裝置，芯體定位模具裝置等模塊，這些模塊之間通過相互配合完成芯體高效率和精準定位的供送，設計的兩組三軸直線模組機械手分別解決了現(xiàn)有自動供送裝置效率低和體積大的問題，本設計中采用了專用夾具，提高了芯體運送的精確度。本文設計的芯體定位裝配及運輸裝置具有較高的實用性和推廣價值。