三坐标机械手的设计和研究

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锻压机械　3/1998

三坐标机械手的设计和研究

250022　济南二机床集团公司　郭　静　洪　凯　王玉山

1　前言

目前,轴承套圈毛坯的生产工艺主要是棒料车削或热锻成形,材料利用率一般为30%～35%左右,且生产率低、工人劳动强度大、劳动条件恶劣。面对这种落后的工艺状况,许多企业改用冷挤压力机进行轴承套圈的毛坯加工。但是,传统的冷挤压力机由人工上下料,生产效率低,因此,我们为冷挤压力机设计了一套具有上料、下料、多工位的三坐标机械手。该机械手能自动完成毛坯的上下料,使冷挤压机的行程次数由原来的十几次提高到近40次,大大提高了生产率。

2　机械手的结构及工作原理　　机械手的传动部分布置在一个尺寸为600mm×400mm×300mm的箱子里(图1),由来自主机的转动力矩驱动凸轮轴上的三个凸轮及其附设机构,把旋转运动分解成x、y、z坐标轴三个方向上的运动,最后再把运动合成到安装在夹钳轴上的夹钳,

图1

1.凸轮轴　2.传动箱下箱体　3.上箱体　4.夹钳轴　5.夹钳

图3

1.凸轮轴　2.摆杆轴　3.凸轮　4.从动件摆杆　5.连杆　6.夹钳轴　7.套　8.带凹面凸轮的摆杆　9.销轴A,B—铰接点

图2

1.凸轮轴　2.从动件摆杆轴　3.凸轮　4.连杆　5.从动件　6.套　7.连杆　8.夹钳轴　9.滑动齿条　10.夹钳11.固定齿条　12.齿轮　13.销轴

实现夹钳的送进—返回,夹紧—松开,抬起—落下等三个动作,完成轴承环坯件的上下料工序。下面分别介绍完成上述三种动作的结构及动作原理。2.1　送进—返回运动机构(图2)

为了便于直观分析,图中去掉了夹紧—松开、抬起—落下机构。由主传动驱动凸轮轴1旋转,通过凸轮3、连杆4、从动件5及齿轮齿条等组成的放大机构,使连杆7带动套6,让夹钳轴作往复运动,实现夹钳的送进—返回动作。2.2　夹紧—松开机构(图3)

为了分析时更直观,图中去掉了送进—返回机构。其动作通过凸轮3驱动从动摆杆4、带动连杆5,使摆杆8摆动,其上的凹面推动套7上的滚子,带动夹钳轴6,使夹钳完成夹紧—松开动作(套7是成对的,它们的同步相向动作由两套中间的一对扇形齿轮及六

个小连杆来完成)。

2.3　抬起—落下机构(图4)

图中去掉了送进—返回机构,以便于观察分析。机构动作为凸轮1驱动摆杆4,通过连杆5和套6,使夹钳轴7上下运动,完成夹钳的抬起—落下动作。套6也是左右成对布置的,因此,也需解决二套的同步运行。这里也是通过一对扇形齿轮和6个小连杆来完成的(图中未画出)。

上述三套机构均采用拉簧锁合。3　机构的运动分析设计

从以上各图中可看出,整个传动箱内包含了凸轮机构、连杆机构、齿轮齿条放大机构;零件的运动,

锻压设备——三坐标机械手的设计和研究

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上,这个交点由于有二个,故应根据机构的具体运动范围加以判别确定。求出A点的运动规律后,即可继续求解,从而把空间运动分解成二个不同平面上的平面机构运动。

3.3　设计方法

在设计过程中,为了满足夹钳在x、y、z三个方向上的运动行程及对速度和加速度的要求及三个方向运动的相互影响,要不断调整各杆的长度、轴的位置及凸轮的廓线函数和三个凸轮在同一凸轮轴上的

图4

1.凸轮　2.凸轮轴　3.从动摆杆轴　4.从动摆杆　5.连杆　6.套　7.夹钳轴

相对位置,计算量是相当大的。因此在该产品设计过程中,采用了CAD技术,编制出该机构的运动分析与绘图程序,通过简单的参数输入,即可快速计算出夹钳在x、速度和加速度及y、z三个方向上的行程、三个方向运动的相互影响及机构主要参数值,并绘制出凸轮的形状、各运动件的运动规律曲线,进而达到设计要求。4　结论

这套装置现已投入使用,其运行平稳可靠,达到了设计要求,满足了用户的需要,提高了生产率。但由于该套机构比较复杂、体积小,封闭在一个箱体内,三个方向的运动相互影响,因此对加工、装配精度要求较高。

和图4中的连杆5)。该套机构运动分析的技术难点是空间连杆运动的分析和求解,因此下面着重分析一下图3中的连杆5的空间运动。3.1　运动分析

图3中的连杆5是完成夹钳夹紧—松开(左右)动作的零件,连杆的右端(B点)与摆杆4铰接,而摆杆4在x—y平面上绕定轴2摆动,因此B点始终在x—z平面上。再看一下连杆5的左端(A点),左端与摆杆8铰接、摆杆8在x—y平面上绕销轴9摆动,因此,A点始终在x—y平面上。连杆5的运动是空间运动(连杆5连端为球铰)。

3.2　运动求解

对空间连杆运动,目前在所见到的资料中尚没有完整的计算通式,也无现成的程序,只有一些常用的分析方法,但这些方法较繁锁。

基于上述分析,把AB杆在任一时间的位置向通过A点的x—y平面进行投影得到AB (图5a),由AB、AB 和BB 形成一个直角三角形,BB 是

B点在任一时刻到摆杆8(图3)所在平面(这个平面在机构中是固定的)的距离,B点的位置和运动轨迹可通过求解凸轮机构求得(凸轮机构类型为摆动滚子从动件盘形凸轮)。由于AB为已知长度,则由直角三角形ABB 可求

(b)

　　(上接第21页)

上的平衡缸平衡了滑块90%的重量,仅剩10%的重量由回程机构来提升,这样大大减小了液压缸、齿轮、齿条机构的尺寸。该液压缸式回程驱动机构,其主要特点是结构简单,容易加工,液压缸经久耐用。通过合理地控制液压缸,能达到高能螺旋压力机回程驱动机构的工艺要求。4　结论

直线推拉式液压缸为最常见的普通液压执行元件,其结构简单,加工制造方便,能达到较高的性能指标。机构给主螺杆施加转矩,使滑块回程,理论上及实际上都是可行的。与由液压马达驱动的相比,具有成本低,维护保养方便,易于在现行条件下实现的优点。

参考文献

1　厄斯特莱歇M,索尔兹G.欧州生产工程(EPE),1986.2　Siempelkamp公司,NPS产品样本.3　Beche公司,SMP产品样本.

4..

图5AB 。

图5b为连杆5(AB)在摆杆8所在的x—y平面

上的投影(B 及B始终在x—z平面虚线上移动),A点与摆杆8铰接,因此,A点至销轴9(图3)的距离已知;而在任一瞬时AB 长度可求知,因此,A点必9()