蔣修華，王有亮，胡真清，賀國建，陳詩贈(zèng)

（喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)中，隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量不斷提出新的要求。通過對(duì)生產(chǎn)工藝流程的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，逐漸便形成帶有多工位、多功能的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線。自動(dòng)化裝配可以將一個(gè)或者多個(gè)工件按照一定的軌跡從A工位移動(dòng)到B工位，不斷地進(jìn)行循環(huán)工作過程。自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線在功能上主要實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)線上各零部件的挑選、夾取、搬運(yùn)、裝配、檢測等動(dòng)作，最終完成后的產(chǎn)品一般是成品或半成品，它能達(dá)到機(jī)器換人、減少人工干預(yù)的目的；同時(shí)它根據(jù)企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)需求，通過PLC或者相關(guān)程序命令，讓裝置上相關(guān)的氣動(dòng)、液壓等元件根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的軌跡、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和移動(dòng)位置來進(jìn)行工件的裝配和組裝，可以大幅改善企業(yè)惡劣、繁重的勞動(dòng)條件，減輕工作強(qiáng)度、保證工件質(zhì)量；實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化[1]。正是由于這些特點(diǎn)，自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線在五金加工、智能物流、電子家電等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。

本文研究的自動(dòng)化生產(chǎn)線需要裝配的產(chǎn)品是機(jī)床用的行程開關(guān)，其結(jié)構(gòu)屬于滾輪式行程開關(guān)，與按鈕開關(guān)類似，上端具備金屬滾輪，內(nèi)部是觸電系統(tǒng)，外部是塑料外殼。自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)包括夾取工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而夾取工件是通過機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)。通過該裝置，可實(shí)現(xiàn)行程開關(guān)裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況和該工位自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的空間布置，設(shè)計(jì)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算和關(guān)鍵部件的校核，夾取工件的機(jī)械手需要安裝在一定高度的固定基座上，基座具備足夠的剛度和強(qiáng)度，保證裝配工作時(shí)不發(fā)生變形。該裝置在后期調(diào)試過程中，完成一個(gè)產(chǎn)品的裝配周期為4 s，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性好，減少了人力成本的投入，操作簡單，維護(hù)成本低，適合同行業(yè)中的推廣應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的工作需求，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為單氣缸雙夾機(jī)械手。主要組成部件包括機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)和手臂結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作需求設(shè)計(jì)計(jì)算，然后選取合適的氣缸。機(jī)械手的性能指標(biāo)需要達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：（1）裝配規(guī)格為長17 mm、寬5.5 mm、高7 mm 的塑料外罩；（2）完成一個(gè)周期的裝配時(shí)間為4 s；（3）水平行程為62.5 mm，豎直行程為10 mm；（4）系統(tǒng)最大負(fù)載為20 g；（5）運(yùn)行速度為100 mm∕s。

根據(jù)機(jī)械手的性能指標(biāo)和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)該機(jī)械手在工位上進(jìn)行水平方向的左、右移動(dòng)，豎直方向的上、下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)零部件上方，實(shí)現(xiàn)零部件的夾緊、放松，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖1所示。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)簡圖

2 硬件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化生產(chǎn)線上的基座工作臺(tái)的材料采用HT200 型號(hào)的灰鑄鐵，密度為7.0 g∕cm3；長、寬、高分別為118、88、85 mm，最大載荷為15 N?；ぷ髋_(tái)是整個(gè)自動(dòng)裝配裝置的重要組成部分，當(dāng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度剛度特性，都應(yīng)該符合工作的要求[2]，而傳動(dòng)部分和控制部分的布置都將影響到整個(gè)工作流程和順暢性。由于本自動(dòng)裝配裝置應(yīng)用在生產(chǎn)線的自動(dòng)裝配上，考慮實(shí)際情況，將傳動(dòng)部分布置在基座的后下方[3]，而控制部分采用對(duì)稱方式布局[4]。

3 控制系統(tǒng)

3.1 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手通過單個(gè)氣缸對(duì)兩個(gè)手爪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零部件的夾取，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。首先對(duì)機(jī)械手的手部夾緊氣缸進(jìn)行設(shè)計(jì)，查閱資料得出夾緊力的計(jì)算方式。

3.1.1 夾緊力的計(jì)算

正常情況下，機(jī)械手的夾緊力需要大于工件自身質(zhì)量產(chǎn)生的靜載荷，工件才能被夾持穩(wěn)定。手指夾緊力的計(jì)算為：

式中：K1為機(jī)械手運(yùn)行過程中的安全系數(shù)，根據(jù)機(jī)械手的功能機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)布局而定，一般取1.2～2.0；K2為機(jī)械手運(yùn)行中被夾持工件的工況系數(shù)，主要根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性沖量而定，一般取1.1～2.5；K3為機(jī)械手運(yùn)行過程中的方位系數(shù)，主要根據(jù)機(jī)械手手抓夾持零部件的不同外觀結(jié)構(gòu)和停留方位來定義，通過計(jì)算粗略得出K3=4；G為被機(jī)械手手抓夾持零部件的質(zhì)量大小。

取K1=2，K2=2，K3=4，代入式（1），得出夾緊力FN≥3.14 N。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為：

式中：c為機(jī)械手滾子鏈中滾子與銷軸的相對(duì)長度；b為機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)與銷軸的相對(duì)長度；α為滑動(dòng)楔塊的偏向夾角[5]。

可得理論計(jì)算力F=2FNbsinα∕c=3.82 N，而在實(shí)際生產(chǎn)線上，機(jī)械手所安裝的氣缸輸出壓力F′要大于理論計(jì)算力，現(xiàn)取機(jī)械手手抓的機(jī)械效率η=0.85，則：F′=F∕η=4.49 N，所以驅(qū)動(dòng)力為4.49 N。

由于生產(chǎn)線上的物件驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為20 g，考慮到摩擦力的影響以及機(jī)械爪的質(zhì)量。在計(jì)算缸徑時(shí)，引入負(fù)載率β：

式中：F為氣缸的實(shí)際負(fù)載；F0為氣缸的理論輸出力。

運(yùn)動(dòng)速度v=100 mm∕s，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6]，取β=0.65，所以實(shí)際氣缸的負(fù)載大小F=6.91 N。

3.1.3 氣缸內(nèi)徑的確定

根據(jù)氣缸內(nèi)徑的計(jì)算公式，得出

式中：D為機(jī)械手所安裝的單個(gè)氣缸內(nèi)徑尺寸，m；F1為單缸氣缸中活塞推桿的輸出力，N；P為生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)所需的工作壓力，Pa，一般P=（0.5～1）MPa；η為單缸氣缸的總機(jī)械輸出效率。

當(dāng)單缸氣缸的活塞推桿產(chǎn)生推動(dòng)力時(shí)：

式中：F2為活塞推桿的輸出力，N；d為生產(chǎn)線初步選定的活塞推桿，d∕D=0.16～0.5。

把d∕D=0.16～0.5引到上述計(jì)算公式，則可得：

取d∕D=0.7，根據(jù)F=6.91 N，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[7]得出F＜10 kN，所以取P=0.5 MPa，η=0.4，計(jì)算得D=7.63 mm。

查閱有關(guān)機(jī)械手冊進(jìn)行得數(shù)取整，結(jié)果為D=8 mm，所以計(jì)算得出機(jī)械手活塞推桿直徑d=0.7D=5.6 mm，進(jìn)行得數(shù)取整，結(jié)果得出活塞推桿直徑為6 mm。

3.1.4 活塞桿的強(qiáng)度校核

活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求。

由上式可知F=6.91 N，取σ=60 MPa，可得d≥0.382 mm，6 mm＞0.382 mm，所以活塞桿安全。

3.1.5 缸筒長度的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算公式，機(jī)械手氣缸的缸筒長度S=L+B+6，其中L為單缸活塞的有限移動(dòng)行程；B為單缸活塞的外殼壁厚，單缸活塞的外殼壁厚B=0.5D=4 mm。根據(jù)生產(chǎn)線上單缸氣缸的所測數(shù)據(jù)，得出單缸氣缸的有效移動(dòng)行程L=3.6 mm，所以S=L+B+6=13.6 mm，單缸氣缸內(nèi)部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)件有限移動(dòng)距離A=6.4 mm。因此，活塞桿的長度l=20 mm。

3.1.6 氣缸筒壁厚的計(jì)算

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出[8]，機(jī)械手單缸氣缸筒的壁厚可參照薄壁筒的設(shè)計(jì)方案，得出氣缸筒壁厚：

式中：δ為缸筒壁厚，m；D為單缸氣缸的缸筒內(nèi)徑，m；σ為單缸氣缸筒本體能承受的許用應(yīng)力，MPa，本生產(chǎn)線上選取的單缸氣缸本體外殼材料為45 號(hào)鋼，σ=60 MPa；P為單缸氣缸筒所能接受的最大工作強(qiáng)度的壓力，MPa，工作壓力的選定有兩種形式，如果單缸氣缸的工作強(qiáng)度的壓力p≤16 MPa 時(shí)，這時(shí)應(yīng)取P=1.5p，如果單缸氣缸的工作強(qiáng)度的壓力p＞16 MPa時(shí)，這時(shí)應(yīng)取P=1.25p。

針對(duì)生產(chǎn)線上單缸氣缸工作時(shí)所承受的壓力0.6 MPa＜16 MPa，因此，應(yīng)取P=1.5p，得出P=0.9 MPa。最后得出缸筒壁厚δ=0.03 m。

3.2 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 氣缸內(nèi)徑的確定

根據(jù)生產(chǎn)線上機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑和所夾持零部件所需的壓力大小，計(jì)算出機(jī)械手手臂上的氣缸內(nèi)徑，其計(jì)算公式為：

式中：D為機(jī)械手手臂所選氣缸的內(nèi)徑尺寸，m；F1為氣缸中活塞桿的輸出力，N；P為生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)中所選氣缸的工作壓力，Pa，一般為P=0.5～1 MPa；η為機(jī)械手手臂運(yùn)行的總機(jī)械效率[9]。

當(dāng)機(jī)械手手臂中活塞桿額定輸出推動(dòng)力對(duì)工件進(jìn)行夾取或者移動(dòng)時(shí)：

式中：F2為機(jī)械手手臂中活塞桿的推動(dòng)力，N；d為活塞桿的直徑；D為氣缸內(nèi)徑尺寸。

氣缸活塞直徑與內(nèi)徑的比例值d∕D=0.16～0.5，可得：

3.2.2 升降氣缸的計(jì)算

機(jī)械手手臂中氣缸內(nèi)徑D的計(jì)算，取d∕D=0.5，P=0.5 MPa，η=0.4，計(jì)算得D=9.62 mm，取D=10 mm，d=4 mm，氣缸的有效移動(dòng)行程S=10 mm。查閱相關(guān)氣缸參數(shù)[10]，選用SMC標(biāo)準(zhǔn)氣缸，型號(hào)為CDJPB10-10D。

3.2.3 耗氣量的計(jì)算

根據(jù)機(jī)械手手臂中氣缸數(shù)量，計(jì)算出氣缸耗氣量，其計(jì)算的計(jì)算公式為：

代入相關(guān)數(shù)值得出耗氣量Q1= 2.62 × 10-6m3∕s。

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

該自動(dòng)化裝配設(shè)備制造完成后，通過對(duì)其機(jī)械手手部夾取和手臂運(yùn)動(dòng)的行程、運(yùn)動(dòng)自由度穩(wěn)定性進(jìn)行測試[11]。經(jīng)測試，機(jī)械手運(yùn)行過程中，在豎直和水平兩個(gè)方向，都分別具有相應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)，能按照任務(wù)指令將左邊工作臺(tái)上的工件搬到其右側(cè)的生產(chǎn)線導(dǎo)軌上。在豎直方向上，氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的手抓能按照任務(wù)指令進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾取工件動(dòng)作，其工作行程為0～10 mm。該設(shè)備的電機(jī)能正常驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)水平方向上的直線移動(dòng)[12]。通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)移動(dòng)導(dǎo)軌，機(jī)械手的水平方向工作行程為0～62.5 mm。機(jī)械手能根據(jù)任務(wù)指令完成3 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，包括水平左右方向、水平前后方向和豎直升降的自由度[13]。

測試開始時(shí)，機(jī)械手原點(diǎn)位置設(shè)定在第一裝配工位的正上方，機(jī)械手執(zhí)行的開始執(zhí)行的循環(huán)動(dòng)作都是從原點(diǎn)位置開始執(zhí)行指令，根據(jù)程序和氣缸的一系列動(dòng)作，完成上升與下降的移動(dòng)，左移與右移的移動(dòng)和零部件的夾緊與放松的動(dòng)作[14]，其工作流程如圖3所示。

根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)測試，得出該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線完成一個(gè)產(chǎn)品的裝配周期為4 s，根據(jù)上述機(jī)械手的流程圖，優(yōu)化機(jī)械手夾取時(shí)間進(jìn)行分配[15]。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)得出較優(yōu)的機(jī)械手工序時(shí)間分配數(shù)據(jù)，如表1 所示。該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線在功能測試中，試生產(chǎn)5 000多件，能實(shí)現(xiàn)機(jī)床用的行程開關(guān)裝配的所有功能，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全能滿足生產(chǎn)要求。

圖3 機(jī)械手測試驗(yàn)證流程

表1 機(jī)械手的工序時(shí)間分配

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)包括夾取工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而夾取工件是通過機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)。通過該裝置，可實(shí)現(xiàn)行程開關(guān)裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況和工位的自動(dòng)裝配的空間布置，設(shè)計(jì)自動(dòng)裝配裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算以及關(guān)鍵部件的校核，最后合理地安裝在固定基座上，使整個(gè)機(jī)構(gòu)布局合理。通過該裝置，可實(shí)現(xiàn)行程開關(guān)裝配過程中的觸電系統(tǒng)的組裝、滾輪的固定及塑料外罩的螺栓連接。在后期裝置運(yùn)行過程中，經(jīng)測試，完成一個(gè)產(chǎn)品的裝配周期為4 s，系統(tǒng)最大負(fù)載為20 g，運(yùn)行速度為100 mm∕s。該裝置系統(tǒng)運(yùn)行可靠性良好，減少了人力成本的投入，操作簡單，維護(hù)成本低，為同行業(yè)的相關(guān)裝配生產(chǎn)線提供了借鑒。