立式轴承压装机上料机械手设计

龚青山，常治斌，任爱华，张光国

（湖北汽车工业学院机械工程系，湖北十堰　442002）

　　摘　要：为了适应自动化的需要，解决原有轴承压装机压装过程中人工上料效率低，劳动强度大等问题，设计中巧妙地应用了空间凸轮机构，实现压装过程中自动上料。在分析相关技术要求和参数及现场条件的基础上，完成了立式轴承压装机上料机械手总体结构设计，设计出立式轴承压装机上料机械手。

　　关键词：上料机械手；轴承压装机；空间凸轮机构

　　随着社会的发展，拥有高效率和高质量的自动化装配线才能适应现代化进程的要求。针对东风汽车某公司立式轴承压装机使用过程中，人工上料效率低、劳动强度大等问题，作者通过深入研究和分析，以及对现有装配线现场调研，设计出能实现自动上料的立式轴承压装机上料机械手，实现了上料自动化，使得劳动强度大大降低，生产效率得到很大提高。

　　1　技术要求与参数分析

　　1.1整体分析

　　该压装机由压装置、托盘送料装置、定位装置、升降装置等几部分组成（图1）^[1]。

　　当变速箱中壳通过自动线导轨传输到该压装机的托盘送料装置后，升降装置向下运动，托盘下落通过定位装置定位在压装机的工作台上，压装装置联接在移动横梁上，要安装的变速箱中壳中间轴、二轴轴承外圈套在压头上，主气压缸带动横梁向下运动，经过快速定位行程和压装行程及快速返回行程3个过程，完成轴承外圈的压装。装配过程中工人需要手动将中间轴、二轴轴承外圈套在压装机的压头上。

　　通过分析压装机的整体布局，压装机工作平面上可用于安装机械手的面积粗略为164×420，这就要求在设计方案中时刻考虑空间的要求。除此之外，在压装机的左右壁面上均安装有其他零部件，这就要考虑这些零部件对加装机械手的影响。

　　本机械手是将料箱的轴承外圈送往高度为650mm的两个压头上，上料零件的质量约为0.2～0.3kg（图2），因此整个工作过程的速度要求不高，同时承载的扭矩和力也不高。由于压装机压装零件体积质量都比较大，装卸很不方便，使得机械手的工作周期较长，安装过程有15s左右的时间，工件摆放位置与安装位置之间有大约90°夹角，垂直距离约为550mm。

图2 变速箱中壳中间轴、二轴轴承外圈

　　1.2技术要求

　　设计要求如下：1）便于安装和维护；2）为了实现多品种切换，机械手运动轨迹必须是可调节的；3）具有较高的可靠性和稳定性，同时还应具有较高的定位精度；4）机械手反应时间短。

　　2　机械手总体方案设计

　　目前工业中应用的机械手，都已经逐渐发展为工业机器人，大多由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置组成，是一种复杂的机电一体化的生产设备。而在本压装机中所使用的机械手由机械本体，伺服驱动（气压）和检测传感装置组成，主要部分为机械本体，也是该机械手的重点研究对象。

　　通过分析其他类型的上料机械手技术参数和要求，机械手的结构设计主要分为2个部分：手部部分（末端操作器）和主体部分。手部部分主要用于夹取零件，主体部分主要作用是控制手部的运动轨迹和速度，同时也负责零件的定位。

　　2.1手部设计

　　机械手手部部分（以下简称手部）是机械手的重要组成部分，它由手指（手爪）、驱动机构、连接及支承元件组成，通过对手爪的开闭动作控制实现对工件的夹持，机械手手部结构如图3所示^[2，3]。

　　工作时活塞杆8推动推饼推力杆6，在推力杆6的作用下，其顶端的椭圆型推饼挤压两侧的手爪5，使得手爪产生一定角度的旋转，从而达到手爪的张开闭合。当活塞杆向前运动时可使手爪闭合，当活塞杆向后运动时，在弹簧收缩力的作用下可使手爪张开。整个过程只产生空间平移运动，而不产生旋转运动。机械手手部的机构运动简图如图4所示，自由度：F=3n-2Pl-Ph=3×2-2×2-1=1，所以得出该机械手有确定的运动，能完成夹取零件的工作。该手爪的设计优点是结构简单，易于控制，在活动张角不大的情况下，能够有效抓取零件，并产生足够的夹紧力和足够的强度刚度。

图4 手部结构简图

　　2.2主体部分的设计

　　主体部分（以下简称主体）相当于机械手的支撑部件，它主要负责控制机械手在空间的运动轨迹。在上料过程中，该机械手只需产生1次平移运动和1次旋转运动即可。故而平移运动也采用气压缸驱动控制，考虑到机械手可利用的空间有限，无法容纳较多的零部件，因此旋转运动采用了空间凸轮机构来完成，即根据运动轨迹在圆柱面上设计出曲线凹槽，使整个手部沿着该曲线凹槽运动（图5） ^[2，3]。

　　当机械手夹取工件后，与支撑体相连的旋转体依靠从圆柱凸轮机构，使得旋转体带动手部产生旋转运动。这样就可以完成手部在空间的曲线运动，Z终使工件顺利地套在压头上。该结构的优点是结构简单，可靠性高，同时能很好地利用压装机自身的气压源，而不需要另外加装驱动源。

　　3　机械手总体结构

　　该机械手安装在立式压装机左侧部位，实现自动上料的工作。在配合压装机压头压装过程中需要保证较高的精度，同时要与压头的压装周期相一致，所以在机械手结构设计时，需要考虑机械手在压装机工作台的安装尺寸，此外，导柱上导向槽的设计要使手部运动满足送料的要求。因此机械手的结构设计要充分考虑安装位置精度和导向结构要求。如图6是该机械手与压装机总装配示意图[^2，3]。

图6 机械手总装配示意图

　　4　结束语

　　该结构设计中采用气压缸提供动力，运动平稳可靠，清洁无污染，同时机械手的运动轨迹通过空间凸轮机构实现，保证了送料的稳定高效。通过应用这种自动上料机械手，缩短了产品装配的时间，提高劳动生产率，保证了产品装配质量，实现了装配线的自动化，为企业获得更高的效益。

　　[参考文献]

　　[1]常治斌，任柏林，龚青山，等.YZ2I型立式轴承压装机研制及应用[J].机械设计与研究（增刊），2009，25：211-213.

　　[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

　　[3]甘永立.几何量公差与检测[M].北京：高等教育出版社，2003.
 

来源：《湖北工业大学学报》2010年8月