自动上料机械手设计研究范文

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摘要：人工上料不仅给人带来乏味劳累，还导致作业效率不高，机器代替人工作业已经成为很多企业解决这一难题的途径。自动上料机械手是针对客户的实际生产需求，对生产节拍的分析计算、直线模组选型计算，结合直线模组组合方式以及产品的主要特点等研究设计的一款直角坐标上料机械手，其凭借结构简单、可靠性高、速度快、精度高以及维护维修方便等优点在自动化生产线上得到应用和推广。

关键词：直角坐标；机械手；自动化生产线

引言

人工成本的不断上升，机器代替人工已经成为很多公司转型升级的主要手段。应用自动化生产线以搬运机械手代替人工完成物料运输，与人工相比，它具有能够按照一定节拍精确稳定地不间断地重复完成一项工作、能够运输人工无法运输的较重物料，并能有效避免恶劣工作环境下人工作业可能带来的人身伤害，已是制造生产工业实现自动化生产的必然选择，被广泛应用[1]。以往人工上料过程中，人的重复劳动不仅给人带来乏味劳累，而且作业效率不高。近年来，随着电子技术水平的不断提高，机器人已经逐步应用到生产领域，帮助人们完成了一些难度比较高以及枯燥的工作，极大地降低了劳动强度，进一步提高了生产效率[2]，同时在需要精确定位的工位中需借助机械结构进行二次定位。因此，本文研究设计自动上料机械手，减少工人操作，提高作业效率与产品定位精度。

1自动上料机械手工作环境

机械手是一种模仿人手动作按照提前设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取的自动化设备，准确性高，造价相对经济，结构简单且易操作[3]。自动上料机械手主要用于转子涂敷生产线[4]的转子上料，为满足整条生产线技术要求以及工艺流程，合理安排自动生产线中上料机构与其他工位机构的布局，使得控制系统更简单、操作更加方便，上料机械手与其他生产工位布局如图1所示。其工作流程是：转子通过上料输送线把转子送到定位机构，定位机构把转子定位到上料位，上料机械手自动拾取，运输到蒙套组装工位，将组装好的转子取出，把未组装的转子放入组装工位，并把组装好的转子运送到涂敷机的上料位。机械手上配有两套夹具，其中一套夹具未组装的转子，另外一套夹具夹取组装好的转子，使其机构配备更合理，工作效率更高；同时夹具上还配有检测传感器，实时检测夹取的转子在高速运送过程是否掉料。通过自动上料机械手能实现设备在生产过程中物料中的点对点的快速转换，提高整体的生产效率，节约生产成本。

2自动上料机械手设计要求

转子涂敷生产线中定位机构把转子定位到上料位，上料机械手将未装蒙套的转子搬送到蒙套组装工位，同时把组装好的转子搬送到涂敷机上料位处，整个过程要求稳定可靠，故有以下几点要求：（1）夹具在取放过程中不得夹伤产品；（2）在运送过程中有掉料检测；（3）机械手取放位置可调；（4）机械手具有手、自动控制切换功能；（5）机械手结构设计合理、运动平稳可靠；（6）生产节拍为9s。

3自动上料机械手设计

根据自动上料机械手工作环境和设计要求，设计一种直角坐标上料机械手，上料机械手主要负责把输送线的转子搬送到蒙套组装机构，同时把组装好的转子取出，搬运到涂覆机内。其中这种直角坐标机械手在工业生产中比较常见，被广泛应用。上料机械手的组成分别为：控制系统、驱动模块、执行机构、检测系统。控制系统主要负责发送逻辑指令给到驱动模块，由驱动模块驱动执行机构进行搬运、拾取、放置等动作；检测系统主要负责对执行机构在执行过程中进行实时的监测，并把监测结果反馈给控制系统。

3.1机械手主要部件选型

驱动机构的选择驱动机构是机械手的重要组成部分，机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置[5]。根据机械手取放位置可调以及要实现多位置取放的设计要求，选择采用伺服电机带动丝杆作为机械手的驱动模块，同时结合取放要求尾端手抓采用气缸的形式抓取。根据生产节拍为9s，伺服额定转速为3000r/min，启动与停止时间为约0.2s；X轴位移分别为550mm、63mm与500mm；Y轴补偿行程约250mm，与X轴同步进行，不计入节拍内；Z轴最低与最高位之间高度差为243mm。根据上述的设计数据初步选定，X轴丝杆导程为20mm，Y轴导程也是20mm，Z轴导程为10mm。根据：可得X轴，550mm用时0.75s；500mm用时0.7s；当X轴运动63mm时，为避免X轴加速度过大而导致定位不准确，同时启动与停止时间也按0.2s计算，可得用时0.4s，此段加速度为1575mm/s2。同理可得Z轴走250mm用时0.7s；其中气缸取放时间约为0.4s。因此整体节拍时间为8.6s，满足生产需求。根据产品质量约为200g，同时取2个，共约400g；单个气缸约为270g，需要4个，共约1080g；气缸安装板约350g；夹具约150g，需8个，共约1200g；Z轴实际最大负载约为3430g。因此根据模组生产厂家给出的数据（图2），同时结合节拍要求，选择导程为10mm，垂直负载为5kg的模组，同时考虑到实际应用的情况，保留一定安全可调行程，选择有效行程为300mm的模组。同样的计算可以选出Y轴的行程为300mm，水平负载40kg；X轴的行程为1250mm，水平负载83kg。

3.2自动上料机械手关键部位设计

上下料的过程是否安全、可靠，与机械手的稳定性有着极为密切的关联，由于机械手抓取的工件规格、尺寸、形状存在一定的差异，从而使得机器手的样式较多，其中比较常见的有钳式和吸附式两种手抓设计[6]。根据设计要求，为保证产品在运动过程中不会掉落，要求机械手抓的夹取要稳当，同时又不能夹伤产品，结合到选择的型号进行手抓设计。转子的外形为圆柱体，因此在设计夹具时采用V形面夹取转子，同时为了避免制造的误差导致夹取不稳，在中部做避空位，设计如图3所示。根据选择的模组型号得知，X轴跨度较大，为了保证机械手在运行过程中的稳定，选择截面为100mm×100mm，壁厚为4mm的方通设计机械手的安装柱。由于机械手安装高度在1000mm左右，同时为保证在机械手启停的过程中由于加速度过大导致基础件的摇晃，在其底部焊接两块加强筋。由于整个安装柱采用的是焊接工艺拼接在一起的，为了减少焊接后应力不均而引起的变形，整体焊接采用交错段焊，同时在焊接完成后整体需进行退火工艺[7]，减少应力，最后对上下的焊接钢板进行机加工，使其满足机械手安装的平直度要求。机械手连接中，为减少因加工与装配引起的累计误差，每个零部件之间的必须有定位销[8]进行定位，再由螺栓连接。同时各连接零部件满足机械手的刚度与强度等设计要求，设计了自动上料机械手，如图4所示。

4结束语

自动化生产线不仅能提高生产效率，同时也能提高企业的制造水平与企业形象。本文所提到的自动化上料机械手不仅能提高生产效率，同时降低的能源损耗，已经在终端用户的实际生产中应用。其高精度、高效率、低能耗等特点得到终端客户的认可。

参考文献：

［1］李晓枬.自动下料机械手的研究设计［J］.冶金与材料，2018，38（6）：46-48.

［2］纳斯哈提•尼合买提吾拉，高铎文，王明杰，等.浅谈搬运机械手仿真设计［J］.河北农机，2016，（8）：56.

［3］欧洋，高祯，李连强.工业机械手结构设计分析［J］.工业控制计算机，2017，30（6）：81-82.

［4］陈秋华，余宁.一种新型转子环氧树脂涂敷机［J］.机电工程技术，2013（10）：81-83.

［5］李冬.浅析机械手的设计［J］.世纪之星创新教育论坛，352.

［6］申耀武.机床上下料工装设计中工业机器人的应用研究［J］.南方论坛，2019（4）2-3.

［7］董志合，关敬巧，李海云.生产中降低焊接件残余应力的措施［J］.铸造设备与工艺，2018（3）：55-56.

［8］徐旭松，吴德辉.销/孔定位结构公差设计中的功能边界分析法［J］.机械设计与制造，2018（10）：225-228.

作者：冼业荣 单位：广东省机械研究所