詹玉新

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

0 引言

壁掛板是壁式空調(diào)安裝的必備件，而鉚接是壁掛板生產(chǎn)的一道重要工序。目前，鉚接后的壁掛板大多采用人工下料方式，不僅生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，而且從鉚接機(jī)中取料危險性大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。近年來，為了降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)自動化，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在各行各業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛.胡傳松研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在沖床行業(yè)中的應(yīng)用，[1]劉波等研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)械手在瓷磚打包生產(chǎn)線中的應(yīng)用，[2]王慰軍等研究了一種用于防撞梁抓取的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的應(yīng)用。[3]

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，提高壁掛板在取料和放料過程中的效率與精準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)一種用于壁掛板鉚接生產(chǎn)過程中的下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手下料的自動化，提高了生產(chǎn)效率，減少了人工勞動強(qiáng)度。

1 生產(chǎn)工藝分析

該下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手是對在鉚接機(jī)上鉚接后的成品橫板與豎板組合件進(jìn)行自動下料使用，下料后自動放置在下料小車上，完成壁掛板的鉚接生產(chǎn)。其生產(chǎn)流程為：兩個橫板和一個豎板鉚接后為一個成品，兩個橫板與豎板分別通過上道工序放置到鉚接機(jī)的模具中，鉚接機(jī)進(jìn)行鉚接，橫板與豎板鉚接完成后，下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手運(yùn)動，抓手部件到達(dá)工件上，自動吸取鉚接完成后的壁掛板成品，并返回下料放置到下料小車上，為提高生產(chǎn)效率，抓手部件一次吸取兩個成品。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)工藝，其下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手與鉚接機(jī)及下料小車的工作位置布置圖如圖1所示。

圖1 下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手工作位置布置圖

當(dāng)鉚接機(jī)完成橫板與豎板的鉚接過程后，下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手向右運(yùn)動，進(jìn)入到鉚接機(jī)中，并進(jìn)行吸料，并返回下料，把工件放置到下料小車中。為使機(jī)械手準(zhǔn)確進(jìn)到鉚接機(jī)工件上方，設(shè)置了機(jī)械手具有上下、前后方向移動的功能。根據(jù)工件地擺動要求，機(jī)械手在下料后放置在下料小車上，機(jī)械手末端具有翻轉(zhuǎn)動作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

鉚接后的壁掛板成品組件規(guī)格有多種，但產(chǎn)品尺寸相差不大，該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手具有多規(guī)格兼容性，下面以產(chǎn)品尺寸長寬550×210為例。

根據(jù)生產(chǎn)工藝及下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手功能要求，設(shè)計(jì)該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手由1底座部件、2升降機(jī)構(gòu)部件、3機(jī)械手左右移動部件、4抓手翻轉(zhuǎn)部件組成，其總裝圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手總裝圖

下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手總體采用立式結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備在高速運(yùn)行過程中整體的剛度與強(qiáng)度，升降部件由電機(jī)帶動滾珠絲杠傳動，從而使其前后移動部件和手部翻轉(zhuǎn)部件能夠整體上下移動。前后移動部件由電機(jī)帶動同步帶傳動，滑軌滑塊機(jī)構(gòu)起承載與導(dǎo)向作用，從而使手部翻轉(zhuǎn)部件在滑軌滑塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向下隨同步帶運(yùn)動。在工件下料擺放時，下料小車上下四層，前后擺放沿著桿子的長度，故升降移動電機(jī)和前后電機(jī)均采用伺服電機(jī)。由于盛放工件的小車上下桿均互相平行，翻轉(zhuǎn)出料抓手在放料翻轉(zhuǎn)工件時角度固定，故手部翻轉(zhuǎn)部件采用氣缸驅(qū)動，齒輪齒條傳動，將氣缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒輪的擺動，從而使得固定在齒輪上的連桿帶動工件能夠?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并放料到下料小車上。其機(jī)械手翻轉(zhuǎn)后的動作圖如圖3所示，擺放工件的下料小車結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。擺放工件的下料小車包括：5腳輪導(dǎo)向板、6可固定腳輪、7阻擋桿插管、8小車框架、9支撐桿、10工件、11阻擋桿。

圖3 機(jī)械手翻轉(zhuǎn)后動作圖

圖4 下料小車結(jié)構(gòu)圖

工件擺放在支撐桿上，當(dāng)下料工件擺放完成時，11阻擋桿插入到7阻擋桿插管中，然后把下料小車推走。所以，工件在放料的時候，機(jī)械手需要一個旋轉(zhuǎn)動作才能擺放工件。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)組成，其工作原理與過程如下：

初始狀態(tài)時，抓手翻轉(zhuǎn)部件處于系統(tǒng)初始位置，當(dāng)壁掛板鉚接完成后，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手接受到鉚接機(jī)發(fā)出的信號，機(jī)械手前后移動部件帶動手部翻轉(zhuǎn)部件手向鉚接機(jī)鉚接機(jī)方向運(yùn)動，到位后，升降部件向下運(yùn)動，手部翻轉(zhuǎn)部件中的海綿吸盤接觸到工件，然后，吸盤產(chǎn)生真空，利用負(fù)壓并吸住工件后，升降部件向上運(yùn)動，根據(jù)下料擺放位置，把吸盤連同工件向上提起一定高度，接著前后移動部件向后運(yùn)動，手部翻轉(zhuǎn)部件向后翻轉(zhuǎn)，使壁掛板調(diào)整角度，并放置到下料小車上，完成整個一個周期來回動作.一個周期來回動作時間為16秒，一次取放2件，滿足一件8秒的生產(chǎn)效率。

2.2 抓手翻轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)

圖5抓手翻轉(zhuǎn)部件組成結(jié)構(gòu)由20翻轉(zhuǎn)連接板、21固定底板、22氣缸、23導(dǎo)向槽、24直線齒條、25翻轉(zhuǎn)支架、26圓柱齒輪、27翻轉(zhuǎn)軸、28手部連接板、29吸盤固定板、30海綿吸盤、31壁掛板等主要零部件組成。為減輕手部翻轉(zhuǎn)部件的重量及轉(zhuǎn)動慣量，翻轉(zhuǎn)連接板、固定頂板、手部連接板及吸盤固定板均采用鋁板6061材質(zhì)。

圖5 抓手翻轉(zhuǎn)部件圖

翻轉(zhuǎn)連接板固定在前后移動部件上，固定底板為整個手部翻轉(zhuǎn)部件的安裝件，使其與翻轉(zhuǎn)連接板一起隨著前后移動部件的驅(qū)動而運(yùn)動。

工作時，氣缸驅(qū)動直線齒條，使其沿著導(dǎo)向槽移動，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)原理，[4]把齒條的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動。這樣固連于齒輪的翻轉(zhuǎn)軸及其連接板轉(zhuǎn)動，使得海綿吸盤帶動工件能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)下料。

根據(jù)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手?jǐn)[放要求，手部連接板及吸盤需回轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)下料擺放，故手部連接板帶動吸盤回轉(zhuǎn)90°時即齒輪轉(zhuǎn)動90°。直線齒條的運(yùn)動是通過氣缸活塞桿帶動齒輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，對齒條相對應(yīng)的移動距離進(jìn)行計(jì)算如下：

依據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工作要求，一個工作行程來回動作時間為16秒，所以，齒輪的轉(zhuǎn)速為5.625°/s。由于設(shè)計(jì)的齒輪分度圓直徑為：d=mz=2.5×24=60mm.故齒條的一次往復(fù)移動距離為：L=60π×(90°/360°)≈47mm，從而選擇對應(yīng)的氣缸行程為50mm，再根據(jù)負(fù)載大小，選擇對應(yīng)的氣缸型號:RDQL63-50M-M9B,品牌為SMC。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手采用三菱PLC控制，根據(jù)工作過程及機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),[5]當(dāng)程序在計(jì)算機(jī)中編制好后，并通過PLC調(diào)試及試運(yùn)行后，下載上傳到到控制器中。在運(yùn)行過程中，該程序具有手動實(shí)時啟動、停止、復(fù)位的功能。當(dāng)鉚接機(jī)鉚接完成后的信號輸入到PLC控制器后，PLC控制器接受信號后，發(fā)出指令給上下移動部件與前后移動部件的伺服電機(jī)和電磁閥，使得機(jī)械手的末端抓手翻轉(zhuǎn)部件的海綿吸盤進(jìn)入到鉚接機(jī)鉚接后的工件待吸取位置，海綿吸盤產(chǎn)生動作吸取工件。通過伺服電機(jī)執(zhí)行動作，從鉚接機(jī)返回到待放料位置時，PLC控制器發(fā)出指令控制翻轉(zhuǎn)氣缸電磁閥，完成手部的翻轉(zhuǎn)動作，把工件放置到下料小車中。在機(jī)械手的運(yùn)動過程中，其位置信號均是通過位置傳感器觸發(fā)信號給PLC控制器，然后，PLC控制器接受到信號后，根據(jù)動作及程序再發(fā)出動作指令，以保證下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手運(yùn)動過程中的安全性及位置準(zhǔn)確性。基于三菱PLC控制器[6]設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖6所示：

圖6 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

通過對實(shí)際生產(chǎn)工藝分析，對下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的下料翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化下料與放料，一次性取放兩件，滿足8秒生產(chǎn)一件的節(jié)拍及效率，不僅降低了人工成本，而且提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)自動化。