全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置設(shè)計(jì)

楊金祥，章海，陳勝，董大釗

（浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316000）

0 引言

目前對(duì)于汽車總成檢具檢測(cè)零件尺寸的自動(dòng)化程度非常低，在檢測(cè)過(guò)程中需要把零件固定在總成檢具上，而大多數(shù)生產(chǎn)工藝中是由人工把零件上料在檢具上, 導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，零件質(zhì)量也會(huì)因人工反復(fù)疲勞動(dòng)作而受到影響，所以設(shè)計(jì)了一種可靠性高、精確定位上料的自動(dòng)機(jī)械手臂[1]。我國(guó)機(jī)械手臂的發(fā)展比較緩慢，但在我國(guó)的科技興國(guó)政策的推動(dòng)下，我國(guó)的機(jī)器人智能化和工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)得到了很大的進(jìn)步，其中關(guān)于機(jī)械手臂的控制已經(jīng)發(fā)展到了6個(gè)自由度的控制[2]，可以多方位進(jìn)行定位與上料，并應(yīng)用在許多大型汽車零部件生產(chǎn)公司。其中國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究較為前沿和領(lǐng)先的有新松機(jī)器人、首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司[3]的機(jī)器人可以應(yīng)用于弧焊、搬運(yùn)、切割等眾多領(lǐng)域，推動(dòng)了我國(guó)機(jī)器人的研究和發(fā)展。我國(guó)軍事領(lǐng)域也有許多自動(dòng)機(jī)器人的身影。在高等院校里有許多機(jī)器人研究領(lǐng)域的試驗(yàn)探究，浙江大學(xué)通過(guò)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室探究出一種多個(gè)自由度的氣動(dòng)伺服自動(dòng)機(jī)械手臂，該機(jī)械手臂能夠?qū)崟r(shí)定向反饋位置坐標(biāo)，并能精確地跟蹤目標(biāo)位置坐標(biāo)，但是由于氣動(dòng)提供動(dòng)力導(dǎo)致機(jī)械手臂抓著力小和旋轉(zhuǎn)扭動(dòng)力不足等；南京理工大學(xué)通過(guò)大量的探究和試驗(yàn)，成功地研制出一種模擬生物的機(jī)械手臂，該手臂能夠像人手一樣多關(guān)節(jié)靈活多角度地抓取東西；北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等許多高校在機(jī)器人智能化領(lǐng)域方面的研究也取得了令人矚目的成果。但是就機(jī)械手臂動(dòng)作的精度、諧波減速器和電子半導(dǎo)體配件電路板制造而言，我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)手臂研究仍然處于落后的狀態(tài)?，F(xiàn)如今比較流行的機(jī)械自動(dòng)化手臂大多利用PLC作為控制器進(jìn)行編程控制電子元器件，從而達(dá)到精確控制機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用較多的PLC控制器為西門子S7-1200系列[4]。

1 工作原理

全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置主要由機(jī)械爪頭、連桿機(jī)構(gòu)、氣缸等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置

目前全自動(dòng)機(jī)械手裝置的動(dòng)力系統(tǒng)主要分為氣動(dòng)方式、電動(dòng)方式和液壓方式，本裝置考慮到夾緊的零件為正六邊形螺母，其質(zhì)量較輕，所以采用較為潔凈便捷的氣缸作為動(dòng)力元件；本裝置的自由度有3個(gè)，其中X軸向由無(wú)桿氣缸動(dòng)力控制，Y軸向由薄型氣缸動(dòng)力控制，Z軸向由轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸控制。多滑塊機(jī)械爪與轉(zhuǎn)軸之間通過(guò)薄型氣缸固定，為了保證裝置整體的穩(wěn)定性，氣缸之間由3根導(dǎo)桿進(jìn)行連接，通過(guò)氣缸間的協(xié)同動(dòng)作使多滑塊機(jī)械爪抓取零件上料至總成檢具上。

2 全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置設(shè)計(jì)

全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置的主要組成部分有多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)、無(wú)桿氣缸機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。

2.1 多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)

本裝置的多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是在多細(xì)棒夾緊爪頭機(jī)構(gòu)的原理上進(jìn)行的改進(jìn)與創(chuàng)新。由于總成檢具檢測(cè)的零件是正六邊形的汽車螺母，在抓取零件過(guò)程中，由于其各個(gè)面比較平整，在加工過(guò)程中有可能夾取的為其截面圓形，所以利用6個(gè)滑塊去壓緊螺母的6個(gè)表面，在機(jī)械爪頭內(nèi)部配置彈簧來(lái)控制滑塊夾緊零件，使用6個(gè)配有彈簧的滑塊作為機(jī)械手爪與總成零件的抓取機(jī)構(gòu)，多滑塊爪頭的內(nèi)部使用優(yōu)質(zhì)彈簧與機(jī)械手的前端接觸部分固定連接；當(dāng)機(jī)械手松馳的時(shí)候彈簧就會(huì)迅速地自動(dòng)恢復(fù)原形，作為機(jī)械手的重要部分，夾緊機(jī)構(gòu)使用一個(gè)粗糙的平面板來(lái)夾緊螺母6個(gè)面，凸塊平面面板的軸向移動(dòng)通過(guò)氣缸控制運(yùn)動(dòng)位移行程。多滑塊機(jī)械爪頭結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，多滑塊機(jī)械爪頭結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

圖2 多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)

圖3 多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)剖視圖

2.2 無(wú)桿氣缸機(jī)構(gòu)

無(wú)桿氣缸結(jié)構(gòu)[5]的內(nèi)部組成和機(jī)械原理是：氣缸的活塞間接地連接在連桿機(jī)構(gòu)上，在其內(nèi)部不存在導(dǎo)桿而是隨著活塞運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；無(wú)桿氣缸結(jié)構(gòu)所擁有的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、位移行程容易控制、速度平穩(wěn)易控制等。根據(jù)無(wú)桿氣缸結(jié)構(gòu)的觸動(dòng)方式可以細(xì)分為磁耦式和機(jī)械接觸式。磁耦式是通過(guò)一個(gè)無(wú)桿活塞和一個(gè)帶有磁性的滑塊相互間接連接所構(gòu)成；因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)氣缸的動(dòng)力大于滑塊的磁力時(shí)，氣缸會(huì)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；當(dāng)氣缸的驅(qū)動(dòng)力小于滑塊的力時(shí)，氣缸不會(huì)驅(qū)動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)而是保持復(fù)位狀態(tài)。機(jī)械式是將活塞與連桿機(jī)構(gòu)直接固定，并將動(dòng)力傳輸?shù)綑C(jī)械爪頭處，并使連桿機(jī)構(gòu)隨著活塞做反復(fù)行程運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)力是通過(guò)氣缸的活塞移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。本無(wú)桿氣缸裝置使用的驅(qū)動(dòng)方式為磁耦式無(wú)桿氣缸。

2.3 機(jī)械爪連桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)變應(yīng)變分析

因?yàn)樵谑褂枚嗷瑝K機(jī)械爪頭抓取零件的時(shí)候要放在檢具上，所以要把夾頭機(jī)構(gòu)上升到與檢具同一水平高度；當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)在反復(fù)運(yùn)動(dòng)后會(huì)發(fā)生形變，這種細(xì)微的形變會(huì)導(dǎo)致上升的高度和總成檢具不在同一平面上，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手安裝出錯(cuò)；為了避免連桿機(jī)構(gòu)發(fā)生形變，故利用有限元分析法分析變形量的尺寸和相位。在分析前對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行搭建模型并做理想化處理：多滑塊機(jī)械爪頭夾緊零件的時(shí)候受力點(diǎn)均勻并不發(fā)生滑動(dòng)摩擦，并且設(shè)零件的受力點(diǎn)在多滑塊機(jī)械爪頭的底面重心上。同時(shí)為了考慮機(jī)械爪頭和連桿機(jī)構(gòu)的形變量在所允許的范圍內(nèi)，簡(jiǎn)化所有零件的重心和受力共點(diǎn)均處于機(jī)械爪頭的底面中心處。通過(guò)簡(jiǎn)化機(jī)械手臂裝置可以得到一個(gè)簡(jiǎn)化的機(jī)械爪連桿機(jī)構(gòu)模型，如圖4所示。一個(gè)正六邊形螺母零件的質(zhì)量為0.175 kg,可知一個(gè)螺母零件所受重力大小為G=mg=0.175×9.8=1.715 N，通過(guò)機(jī)械原理估算可以知道多滑塊機(jī)械爪頭所能承受的最大值為5 N，因此機(jī)械爪前端的平面板最大載荷力大小為5 N，其載荷力及網(wǎng)格化后模型如圖5所示。

圖4 機(jī)械爪連桿機(jī)構(gòu)圖

圖5 載荷力與網(wǎng)格化模型圖

通過(guò)有限元分析計(jì)算可以知道抓取零件所造成的最大形變量在多滑塊機(jī)械爪頭機(jī)構(gòu)處，其最大形變量為0.55 mm，此最大形變量在連桿機(jī)構(gòu)的使用允許范圍之內(nèi)；因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械臂抓取零件會(huì)使多滑塊機(jī)械爪頭處于溫度過(guò)高狀態(tài)，所以還要考慮到高溫對(duì)于機(jī)械臂力學(xué)性能的影響，以及高溫對(duì)形變量的影響。此連桿機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力作用在中間連桿與底座相連之處，其最大的范式等效應(yīng)力值為3.031×107Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通碳鋼的最大應(yīng)力屈服力2.206×106Pa，因此要減小連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)力值，需要在中間連桿處換用5 mm的圓角并再次測(cè)試應(yīng)變力的大小，通過(guò)有限元分析可知最大范式等效應(yīng)力值仍然大于2.206×106Pa，因此只能考慮換用其他屈服應(yīng)力較大的連桿機(jī)構(gòu)材料，若改用連桿機(jī)構(gòu)的材料為合金鋼后，多滑塊連桿機(jī)構(gòu)的最大范式應(yīng)力值為3.031×107Pa，其屈服力為6.2×108Pa，所以最大應(yīng)力值在所允許的屈服力范圍之內(nèi)，故改用合金鋼后滿足工藝要求。其有限元分析如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)全自動(dòng)總成檢具的機(jī)械手上料裝置的各種機(jī)械爪頭連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析可得出，該裝置可以有效地完成對(duì)檢具檢測(cè)的精確上料，并對(duì)螺母零件進(jìn)行篩選、抓取、定向放置、固定方向，以及在上料時(shí)能夠按照確定的方向排列。同時(shí)通過(guò)各個(gè)氣缸的協(xié)同控制可夾取出的零件按照一定的速度進(jìn)行檢具的位置固定和精確檢測(cè)，其使得該裝置的可靠性高，并提高了檢具檢測(cè)螺母的工作效率。

圖6 多滑塊機(jī)械爪頭有限元分析圖