一種自動夾取及碼垛的機(jī)械手裝置設(shè)計(jì)

引言

目前,公司生產(chǎn)工件時,常使用電動葫蘆吊裝及碼垛,但該裝備存在一定缺陷:首先,存在工件掉落砸傷工人的隱患,其次效率較低,工件制造完成后需要額外人工吊裝及碼垛。而使用機(jī)械手代替人工吊運(yùn)碼垛,可以提高生產(chǎn)效率和安全性。機(jī)械手是模仿人手部分動作,按照給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)等動作的自動化機(jī)械裝置。

1機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

1.1設(shè)計(jì)技術(shù)要求

工件為鋼結(jié)構(gòu),形狀為規(guī)則的長方體,尺寸為1600mm×700mm×65mm,單件重量80kg;要求:(1)兩個碼垛工位;(2)從抓取工件開始到完成碼垛并回歸原位,時間間隔不大于10min;(3)能夠抓取不同尺寸規(guī)格的工件。

碼垛形式:15塊工件整齊疊加。

1.2機(jī)械手基本形式的選擇

常見的機(jī)械手按照手臂的坐標(biāo)形式劃分主要有四種:直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。其中,直角坐標(biāo)式是適用于工作位置成行排列的一種機(jī)械手,它的手臂可以伸縮、左右和上下移動,按直角坐標(biāo)x、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。結(jié)合公司車間實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)采用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。

1.3機(jī)械手結(jié)構(gòu)和主要部件確認(rèn)

機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)與位置傳感器組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來抓持工件,結(jié)構(gòu)形式有夾持型、托持型、吸附型等,根據(jù)工件結(jié)構(gòu)實(shí)際情況選擇夾持型。驅(qū)動機(jī)構(gòu)用來驅(qū)動各種運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作,根據(jù)動力源的不同,一般有電動、機(jī)械、液壓、氣動等形式,此處選擇電動、液壓、氣動多種傳動相結(jié)合的復(fù)合傳動機(jī)構(gòu)。控制機(jī)構(gòu)選擇PLC。

2工作原理

如圖1所示,機(jī)械手夾具處在初始取件位置,工件通過生產(chǎn)線運(yùn)動到工件平臺,夾具下降到工件位置并夾緊工件后開始上升,移動小車開始左移到A工位處,夾具下降并松開放下工件,然后夾具重新回到初始位置,重復(fù)下一個周期循環(huán)。A工位碼垛完成后執(zhí)行B工位的碼垛。夾具的夾緊、松開由氣缸驅(qū)動,夾具的上升、下降由液壓缸驅(qū)動。夾具的運(yùn)動流程如圖2所示。

3機(jī)械手夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),它要求能夠很好地夾緊、松開且能夾取不同規(guī)格的工件。

3.1作圖法

確認(rèn)已知尺寸和要求,對于某些不能確認(rèn)的尺寸給出初始值,并按圖3所示作圖法最終確認(rèn)出合適的夾桿長度Ll、L2、L4以及拉桿長度L3。

3.2有限元強(qiáng)度分析

機(jī)械手夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,進(jìn)行有限元分析,結(jié)果顯示設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求,如圖4所示。

4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手夾具升降液壓原理圖如圖5所示,回路使用液壓鎖,能使油缸可靠地停止在任意位置上。

基本參數(shù):工件及夾具的重量之和為G。

(1)液壓缸外負(fù)載為F,取液壓缸的機(jī)械效率n=0.9:

(2)初選系統(tǒng)工作壓力為P=10MPa。

(3)油缸活塞桿受拉時,F=P1A2-P2A1:油缸的速度比為小=v2/v1=D2/(D2-d2),初步選取為1.33。其中,A1、A2分別為無桿腔、有桿腔活塞有效面積:P1、P2分別為工作腔壓力、回油腔壓力:D、d分別為油缸缸徑、桿徑。

經(jīng)過以上計(jì)算及圓整,結(jié)合《液壓氣動系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑》(GB/T2348一1993)和《液壓氣動系統(tǒng)及元件缸活塞行程系列》(GB2349一1980),缸徑D=63mm,桿徑d=40mm,油缸行程為1200mm。

(4)液壓泵選擇。液壓泵的流量為:

一般取K=1.1~1.3,Zgvmax為同時動作時需要的最大流量。根據(jù)以上P和Ovp值,從樣本中選擇齒輪泵型號。

(5)電機(jī)的選擇。液壓泵的總驅(qū)動功率為:

式中,np為液壓泵的總效率,齒輪泵一般取0.6~0.7。

由此值查樣本,選用合適的電動機(jī)。

5PLC控制回路設(shè)計(jì)

(1)機(jī)械手的運(yùn)動流程如圖2所示。

(2)PLCI/o輸入、輸出分配表分別如表1和表2所示。

(3)部分機(jī)械手控制程序示例如圖6所示。

6結(jié)語

針對公司實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一種自動夾取及碼垛的機(jī)械手裝置,該機(jī)械手集液壓、氣動、電動及PLC控制為一體,實(shí)現(xiàn)了公司產(chǎn)品下線時自動夾取、碼垛等動作。全程無需人工輔助操作,消除了安全隱患,降低了人工成本,提高了工作效率。該裝置投入生產(chǎn)以后表現(xiàn)良好。