三坐标机械手的设计和研究
发布时间：2013-09-16250022 济南二机床集团公司 郭静 洪凯 王玉山
1 前言目前，轴承套圈毛坯的生产工艺主要是棒料车削或热锻成形，材料利用率一般为30%～35%左右，且生产率低、工人劳动强度大、劳动条件恶劣。面对这种落后的工艺状况，许多企业改用冷挤压力机进行轴承套圈的毛坯加工。但是，传统的冷挤压力机由人工上下料，生产效率低，因此，我们为冷挤压力机设计了一套具有上料、下料、多工位的三坐标机械手。该机械手能自动完成毛坯的上下料，使冷挤压机的行程次数由原来的十几次提高到近40次，大大提高了生产率。
2 机械手的结构及工作原理
机械手的传动部分布置在一个尺寸为600mm×400mm×300mm的箱子里（图1），由来自主机的转动力矩驱动凸轮轴上的三个凸轮及其附设机构，把旋转运动分解成x、y、z坐标轴三个方向上的运动，Z后再把运动合成到安装在夹钳轴上的夹钳，实现夹钳的送进——返回，夹紧——松开， 抬起——落下等三个动作，完成轴承环坯件的上下料工序。下面分别介绍完成上述三种动作的结构及动作原理。
为了便于直观分析，图中去掉了夹紧——松开、抬起——落下机构。由主传动驱动凸轮轴1旋转，通过凸轮3、连杆4、从动件5及齿轮齿条等组成的放大机构，使连杆7带动套6，让夹钳轴作往复运动，实现夹钳的送进——返回动作。
2.3 抬起——落下机构（图4）
上述三套机构均采用拉簧锁合。
3 机构的运动分析设计
从以上各图中可看出，整个传动箱内包含了凸轮机构、连杆机构、齿轮齿条放大机构；零件的运动有定轴转动、平面运动，以及多连杆的空间运动（图3和图4中的连杆5）。该套机构运动分析的技术难点是空间连杆运动的分析和求解，因此下面着重分析一下图3中的连杆5的空间运动。
3.1 运动分析
图3中的连杆5是完成夹钳夹紧——松开（左右）动作的零件，连杆的右端（B点）与摆杆4铰接，而摆杆4在x-y平面上绕定轴2摆动，因此B点始终在x-z平面上。再看一下连杆5的左端（A点），左端与摆杆8铰接、摆杆8在x-y平面上绕销轴9摆动，因此，A点始终在x-y平面上。连杆5的运动是空间运动（连杆5连端为球铰）。
3.2 运动求解
对空间连杆运动，目前在所见到的资料中尚没有完整的计算通式，也无现成的程序，只有一些常用的分析方法，但这些方法较繁锁。
基于上述分析，把AB杆在任一时间的位置向通过A点的x-y平面进行投影得到AB′ （图5a），由AB、AB′和BB′形成一个直角三角形，BB′是B点在任一时刻到摆杆8（图3）所在平面（这个平面在机构中是固定的）的距离，B点的位置和运动轨迹可通过求解凸轮机构求得（凸轮机构类型为摆动滚子从动件盘形凸轮）。由于AB为已知长度，则由直角三角形ABB′可求AB′。
图5b为连杆5（AB）在摆杆8所在的x-y平面上的投影（B′及B始终在x-z平面虚线上移动），A点与摆杆8铰接，因此，A点至销轴9（图3）的距离已知；而在任一瞬时AB′长度可求知，因此，A点必在以销轴9和B′（B）为圆心的两个虚线圆的交点上，这个交点由于有二个，故应根据机构的具体运动范围加以判别确定。求出A点的运动规律后，即可继续求解，从而把空间运动分解成二个不同平面上的平面机构运动。
在设计过程中，为了满足夹钳在x、y、z 三个方向上的运动行程及对速度和加速度的要求及三个方向运动的相互影响，要不断调整各杆的长度、轴的位置及凸轮的廓线函数和三个凸轮在同一凸轮轴上的相对位置，计算量是相当大的。因此在该产品设计过程中，采用了CAD技术，编制出该机构的运动分析与绘图程序，通过简单的参数输入，即可快速计算出夹钳在x、y、z三个方向上的行程、速度和加速度及三个方向运动的相互影响及机构主要参数值，并绘制出凸轮的形状、各运动件的运动规律曲线，进而达到设计要求。
4 结论
这套装置现已投入使用，其运行平稳可靠，达到了设计要求，满足了用户的需要，提高了生产率。但由于该套机构比较复杂、体积小，封闭在一个箱体内，三个方向的运动相互影响，因此对加工、装配精度要求较高。
来源：《锻压机械》1998年03期