齿轮毛坯自动上料机械手的设计
齿轮毛坯自动上料机械手的设计
高秀兰
宝鸡文理学院 机械工程系 ,陕西 宝鸡 721007
图 1 上料机械手与锻床的配置关系示意图
11 滑道 21 永久磁铁 31 推料爪 41 输送链 51 上臂 71 齿轮毛坯
图 2 机械手的工作循环图
图 3 机械手
目前 ,国内很多机加工企业的齿轮毛坯在锻造时
的上料为手工操作 ,其劳动强度大(须每两小时就更换
一名操作工) 而且危险 ,刚被加热过的毛坯若夹持不稳
不牢将可能发生烫伤操作工的事故 ,达不到理想的生
产状态 ,生产率低 ,为此我们设计了齿轮毛坯的锻床上
料机械手。
1 锻床上料机械手的工作原理
上料机械手与锻床的配置关系如图 1 所示。当齿
轮毛坯由输送链送来时 ,上料机械手正好反转到此位 ,
限位开关 3XWK使手指打开并抓取 (合上) 一个齿轮
毛坯 ,升降汽缸驱使机械手的手臂上升。在上升过程
中 ,碰限位开关 8XWK(图中未画出) 发信号 ,使上料
机械手向左旋转到滑道 1 上。上料机械手与手爪联结
的推料爪 3 将滑道上的齿轮毛坯(前一次送来的料) 推
入锻床的铁砧上 ,上臂 5 上的撞块碰限位开关 3XWK
发信号 ,使手抓打开 ,齿轮毛坯就落到滑道上。同时
3XWK使中继器 1ZJ (图中未画出) 断电 ,二位四通电
磁阀换向 ,使上料机械手向右反向回转 ,在回转 60°
时 ,碰限位开关 5XWK 发信号 ,使二位四通电磁阀换
向 ,控制锻床的气动离合器接合上 ,锻床曲轴由传动装
置带动回转 ,进行一次锻压动作。上料机械手向右转
回原位 (即转到输送链上方时) 撞块 6 碰限位开关
7XWK发信号 ,上料机械手重复上述动作。
2 机械手的循环图设计
在间歇作用型的自动机械中 ,产品在机器中周期
性地承受加工 ,其顺序给出两相邻产品之间的时间间
隔称为“工作循环”。机械手的工作循环图如图 2 所
示 :当手臂伸出后 ,手指开始夹紧工件 ,夹紧动作完成
后 ,机身上升 ,上升到位后 ,手臂向左摆动 60°到达锻
床滑道上 ,之后 ,手指打开放下毛坯 ,手臂缩回 ,升降气
缸下降 ,下降到位后 ,手臂向右摆动到达输送链 ,完成
一个工作循环。
3 锻床上料机械手的设计
自由度是机械手设计的关键参数 ,自由度越多 ,机
械手的灵活性越大 ,
通用性越广 ,但其结
构也就越复杂 ,由于
齿轮毛坯刚从加热炉
内出来 ,温度较高 ,为
此 ,我们所设计的上
料机械手的型式如图
3 所示。
311 机械手臂部的
64 组合机床与自动化加工技术
设计要点
手臂是机械手的主要执行部件 ,其作用是支承手
部。主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范
围主要取决于臂部的运动形式。
由于输送齿轮毛坯输送链的位置较低 ,而锻床的
铁砧较高 ,因此我们所设计的手臂必须有一个沿 z 轴
的上下升降动作 (即手臂可沿 z 轴上下移动) ,由升降
气缸控制。其二由于齿轮毛坯温度较高 ,为了减少热
量对机械手立柱的辐射使手臂有一个沿 x 轴的向前伸
出(当夹持着齿轮毛坯时) 和向后回缩(当手爪空程时)
的动作。其三 ,由于机械手必须来回往复于输送链和
锻床之间 ,因而手臂必须有一个绕 z 轴摆角为 60°的左
右摆动动作。设计时注意以下几点。
(1) 刚度要好。要合理的选择臂部的截面形状和
轮廓尺寸。我们选用空心钢管作臂部和导向杆 ,用工
字钢和槽钢作支承板 ,以保证有足够的刚度。
(2) 偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的重量对
其支承回转轴(即机身) 所产生的力矩。它对臂部的升
降运动和转动 ,都产生影响。设计时应使臂部的质量
分布合理 ,以减少其偏重力矩。
(3) 重量要轻 ,惯量要小。由于机械手在高速情况
下常起停和换向 ,为了减少在运动状态变化时所产生
的冲击必须采用有效的缓冲装置 ,力求结构紧凑 ,重量
轻 ,以减少惯性力。
(4) 导向性要好。为了防止臂部在直线移动中沿
轴线发生相对转动 ,以保证手部的正确方向和准确定
位 ,必须有导向装置 ,其结构应根据臂部的安装形式 ,
抓取重量和运动行程等因素来确定。
2) 机械手臂部驱动力的计算
臂部伸缩运动时需要克服摩擦力和惯性力 ,其驱
动力按下式计算 :
Pq = Fm + Fg (kgf)
式中 Fm ———摩擦阻力 (包括导轨支承间的摩擦阻力 ,
活塞与缸臂及密封处的摩擦阻力) 。
Fg ———起动过程中的惯性力 , 其大小按下式计
算 :
Fg = Gv/ gt (kgf)
式中 G ———臂部移动部件的总重量;
g ———重力加速度(m/ s2)
v ———臂部运动速度(m/ s) ;
t ———起动时所需的时间(s)
312 机械手手部的设计
1) 机械手手部的结构及其夹紧力的计算
图 4 连杆传动的手部结构
11 活塞 21 缸体 31 连杆 41 手指
根据本机械手的功用 ,我们将其手部设计为如图
4 所示的型式 (4 - 手指) 。我们选择连杆传动的手部
结构 ,驱动活塞往复运动 ,通过活塞杆端部铰连的连杆
来控制手指的开合。
手指对工件的夹紧力可按下式计算 :
N ≥K1·K2·K3·G (kgf)
式中 K1 ———安全系数
K2 ———动载系数 (主要考虑惯性力的影响)
K3 ———方位系数
G ———被抓持工件的重量(kg)
2) 手部设计时应注意的问题
(1) 手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠地夹
紧工件 ,除考虑被夹持工件的重量外 ,还应考虑工件在
传送过程中所产生的动载荷。
(2) 手指应有一定的开闭范围 ,其大小不仅与工件
的尺寸有关 ,而且注意手部接近工件时的运动路线及
方位的影响。
(3) 应保证工件在手指内准确定位。
(4) 结构尽量紧凑 ,重量轻 ,以利于腕部和臂部的
结构设计。
(5) 根据应用条件考虑通用性。
313 机身的设计
1) 机身的设计要点
机身是支撑臂部的部件 ,升降和回转运动机构都
装在机身上 ,设计时要考虑以下几点 :
(1) 机身要有一定的刚度和稳定性。
(2) 运动要灵活 ,升降运动的导套不宜过短 ,否则
可能产生卡死现象 ,一般要有导向装置。
(3) 结构布置要合理 ,便于安装和维修。
2) 机身驱动力的计算
(1) 升降运动时 ,驱动力可按下式计算 :
Pq = Fm + Fg ±W (kgfY)
式中 Fm ———各支承处的摩擦力
742001年第6期
Fg ———起动时的惯性力
W ———运动部件的总重量
±———上升时为正 ,下降时为负
(2) 回转时 ,由于起动过程中不是等加速运动 ,所
以最大驱动力矩要比理论上的平均值大一些 ,计算时
一般取 113 倍。驱动力矩按下式计算 :
M q = 1. 3 ( M m + M g) (kgfm)
式中 M m ———摩擦力矩
M g ———起动时的惯性力矩
4 机械手的缓冲与定位
(1) 手臂前后伸缩与上下升降所用单缸整体式液
压缓冲器的原理如图 5 所示。
(2) 手臂回转运动所用液压缓冲器是双缸二级节
图 5 手臂升降与伸缩用液压缓冲器原理图
流管路连接式液压缓冲器 ,其原理如图 6 所示。
图 6 手臂左右转动缓冲器原理图
5 结束语
本次设计的锻床上料机械手可实现齿轮毛坯在锻
造时的自动上料 ,将工人从繁重的劳动中解脱出来 ,节
约了生产力 ,提高了生产效率。若把手指的结构稍作
改变 ,就可实现多种工件的自动上料。
[参考文献 ]
[1 ]瞻启贤主编 1 自动机械设计 1 北京 :轻工业出版社出版 ,
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[2 ]黄锡凯 ,郑文纬主编 1 机械原理 1 北京 :高等教育出版社 ,
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[3 ]徐 灏主编 1 机械设计手册 1 北京 :化工业出版社出版 ,
1991
收稿日期 :2001 - 02 - 26
作者简介 :高秀兰 (1965 - ) ,女 ,陕西扶风县人 , 宝鸡文理
学院讲师。 (编辑 张新龙)
图 4 车刀自动冷却电气控制原理图
(上接第 45 页) 端 V O H 高电平控制冷却液泵电源电
路 ,使其开始工作 ,从而使刀具冷却 ,当温度降到Δt =
250 ℃其输入电压 V I = 5V ,正好是 V T - 的反转电压 ,
则施密特触发器的输出电压为 V OL 。冷却液泵停止
工作。从而实现了对车刀的自动冷却过程。在实际应
用中 , 随着车刀类型的不同 , 可选用不同的 V T + 、
V T - 、R1 、R2 来实现对刀具温度范围的自动控制设
计。
图 4 为车刀自动冷却的电原理图。由热电偶来的
温差电动势ΔE ,经过一级放大后分为两路 ,一路再放
大 ,用于控制施密特触发器的输入电压 V I ,进而实现
对车刀的自动冷却 ,另一路经数据采样 ,模数转换后自
动显示出温度大小。对于该自动控制来分析 ,其最大
的误差在冷端温度的恒定性和车刀刃口温度是否是热
端温度 ,在安装测量时应注意。
[参考文献 ]
[1 ]阎 石 1 数字电子技术基础 1 北京 :高教出版社出版
[2 ]刘迎春 1 传感器原理设计与应用 1 长沙 :国防科技大学出
版社出版
[3 ]华南工学院 ,甘肃工业大学编 1 金属切削原理与刀具设计 1
上海 :上海科技出版社出版
收稿日期 :2000 - 11 - 21
作者简介 :高永全 (1964 - ) ,男 ,山西离石人 , 华北工学院
工程师
(编辑 何 钢)
84 组合机床与自动化加工技术
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