立式轴承压装机上料机械手设计
第 25 卷第 4 期 湖 北 工 业 大 学 学 报 2010 年 8 月
Vol. 25 No. 4 Journal of Hubei University of Technology Aug. 2010
[收稿日期 ] 2010 - 03 - 24
[作者简介 ] 龚青山 (1982 - ) , 男 ,湖北十堰人 ,湖北汽车工业学院助教 ,工学硕士 ,研究方向为机械结构设计
[文章编号 ] 1003 - 4684 (2010) 0420086203
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
[中图分类号 ] TP241 [文献标识码 ] : A
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 ] .
1 主气压缸 ; 2 龙门机架 ; 3 移动横梁 ; 4 压头 ; 5 导柱
6 托盘送料装置 ; 7 自动线导轨 ; 8 升降装置
图 1 立式轴承压装机结构简图
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. 3 kg(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 15 s 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 550 mm.
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 ] .
1 汽缸套 ; 2 汽缸 ; 3 手部外壳 ; 4 弹簧 ; 5 手爪 ;
6 推饼 ; 7 接头 ; 8 汽缸活塞杆
图 3 手部结构图
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 = 3 n - 2 Pl - 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 ] .
1 顶柱 ; 2 圆柱凸轮 ; 3 从动件 ; 4 旋转件 ;
5 支撑件 ; 6 底座 ; 7 连接轴 ; 8 推力汽缸
图 5 主体结构图
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 ,最
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
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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.
Design of Manipulator for The Vertical Bearing
Push Mounting Machine
GON G Qing2shan , CHNA G Zhi2bin , REN Ai2hua , ZHAN G Guang2guo
( Dept. of Mechanical Engin. , Hbei Univ . of A utomotive Tech. , S hi y an 442002 , China)
Abstract : In order to meet the needs of automation and to solve the problems in the original pressing
process such as the low2efficiency of artificial feeding and the intensive labor , the vertical bearing push
mounting machine manipulator was designed. In this design , the spatial cam mechanism was ingeniously
used to implement automatically feeding. Based on the analysis of the related technological requirements
and the field conditions , the general structure design of the vertical bearing push mounting machine manip2
ulator was accomplished. The key structures , including the main part and manipulator , were explained in
detail.
Keywords : manipulator ; bearing push mounting machine ; spatial cam mechanism
[责任编校 : 张培炼]
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