注塑机专用取件机械手结构设计
2018-07-30李卫民华雷
李卫民, 华雷
(泰州职业技术学院,江苏 泰州225300)
0 引言
取件机械手能使流水线生产更加高效化、自动化,它作为自动化生产用具,可以代替人们的体力劳动,大大提高了注塑成型机的生产效率,且其生产环境安全,产品质量稳定。纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业,数量十分稀少,且独创性弱,过分依赖仿制。而大量的产品都来自于他国进口,但是其设计思路都较为西方化,不适合中国人的操作习惯。因此我们有必要设计并生产出一种高效率、低成本、性能稳定的的塑件专用取件机械手[1-3]。
1 设计内容
当一个新的注塑品完成后,会被机器自动推送到传送带上,机械手就是不断地从传送带上捡起塑件,并摆放到指定的塑件堆放区。设计的机械手(如图1)采用气压驱动,拥有5个运动单元,采用气缸的形式使各个运动单元按照设计要求执行运动。此次机械手的设计重点是完成对塑件取件机械手的结构设计。
图1 机械手
2 机械手结构方案设计
设计的机械手是专门针对注塑机的,因此机械手的尺寸、运动行程要与注塑机相匹配,并且在工作上也需要满足注塑机的工作进度。注塑机的工作节奏比较快,完成一个制品的速度很快,那就需要机械手能够快速并精确地去抓取塑件,然后需要顺序地将塑件放置到对应的位置,同时迅速地返回,整个时间要与注塑机出一个制品的单位时间相比配。注塑机的形状、尺寸也是设计专用机械手所需要考虑的,一是保证机械手有足够的运作空间;二是使机械手的设计更具有专用性,更有效率[4-5]。
1)坐标型式与自由度选择。设计的机械手需要实现上升下降、前后移动、零件松放、手部回转。为了节省空间,减短运动行程,增加了一个手臂来回摆动的自由度,根据这5个自由度,确定机械手的坐标形式为圆柱坐标。机械手各个自由度的运动简图如图2所示。
2)机械手的主要参数。注塑机通常用于单一大批次的生产中,根据常见注塑机的功能参数,设计各个自由度的运动极限参数:机械手手部最大抓取质量(3 kg)也就是机械手工作极限值3 kg;机械手手腕回转角度为90°;机械手上下直线升降的最大工作行程为800 mm;机械手机身以外部分实现往复摇摆运动,运动极限角度为180°;机械手副臂实现在工作平面上前后移动运动,最大工作行程为400 mm。
图2 各自由度简图
3 手部结构设计
手部结构采用手爪式,如图3所示,水口夹自带气缸,当水口夹需要抓取物体时,气缸进气口进气,推动活塞杆移动,圆锥销向两边顶开滚轮,滚轮连接着左右两钳板,滚轮滚动直接控制着钳板的开合,从而抓取塑件,放下塑件时,直接气缸断气,钳板会在复位弹簧的作用下复位,从而达到放开塑件的目的。本文选取的水口夹型号为1615s型,该水口夹最大可抓取500 g的塑件;水口夹的缸径为16 mm,行程为15 mm[6]。
图3 水口夹结构
4 手腕部分结构设计
和人体结构一样,机械手的手部与手臂之间连接部分同样是手腕,这部分的作用就比较大,手腕灵活就能起到画龙点睛的作用,手腕一般情况下可以用来改变机械手手部的一个抓取零件的方向,所以手腕部分也设计了一个自由度,运动形式为回转。水口夹与回转气缸是作为一个部件来使用的,机械手的手部(也就是水口夹)与手腕部分(回转气缸)之间的配合如图4所示[7-8]。
图4 水口夹回转气缸组合部件
5 副臂结构设计
5.1 副臂结构设计
设计的机械手手臂选择铝型材作为主要材质,并且在结构上,通过将手臂与运动导轨相结合的形式,减轻质量,降低结构难度。
导轨的选择:副臂存在的自由度是其上下升降的直线运动,因此其附合支承可以选择直线导轨的形式,设计采用滚珠直线导轨,实物如图5所示。
图5 滚珠直线导轨
设计中采用上银直线导轨,选择型号为HG。与之相配合的滑块总质量是0.9 kg。
5.2 副臂气缸的结构尺寸
本文所选择的气缸为SMC公司所生产的CG型直线气缸,气缸的半径为20 mm。副臂气缸运动的行程为800 mm,如图6所示。
图6 副臂气缸
5.3 手腕与副臂连接结构设计
1)副臂气缸连接形式选用。副臂气缸在机械手作用下推动导轨实现往复直线运动,这种情况下,就需要气缸的活塞杆部分与副臂的导轨之间没有相对运动,也就是说需要相对的固定,选择杆端螺母的形式最适合,如图7所示。
2)手腕与副臂连接结构设计。手腕是回转气缸,副臂则是以导轨为主的结构,之间没有标定的连接方式,因此需要设计一个连接部件,将手腕与副臂连接到一起。连接件除了需要连接回转气缸、导轨,还需要连接副臂气缸的活塞杆,就是活塞的杆端螺母的连接方式,最终的设计方案如图8所示。
图7 杆端螺母结构
6 机械手主臂结构设计
6.1 主臂结构设计
选择铝合金作为主臂结构的主要材质,比较轻,能够承受较大负荷,有着很好的力学性能,主臂部分的结构如图9所示。
与副臂的受力一样,主臂采用两个导杆来支承和导向,这样受力更加均匀,导向性更好,对称性也不错。结合主臂的设计尺寸,确定导杆长度在460~470 mm均可,本文选择一个中间值,选择为465 mm,直径20 mm,如图10所示。
图8 连接件
图9 主臂设计总图
6.2 主副臂连接结构设计
图10 导杆
图11 轴向脚座
1)主臂气缸连接形式选用。结合主臂气缸的使用要求,最终确定选择轴向脚座的形式用来固定主臂气缸。如图11所示。
2)副臂与主臂连接结构设计。主臂与副臂需要设计一个部件,将彼此连接在一起,这个部分一共需要连接副臂滑块、主臂气缸活塞杆、两个导杆等等,因此整个结构需要先确定各个部件的连接位置以及连接方式,连接方式都是采用螺栓的连接,最终结构如图12所示,该部件同样采用铝合金的材质。
7 机身结构设计
7.1 机身的整体设计
机械手的最后一个自由度实现一个摆动行程为90°的摆动运动,通过机身作为承载部件,设计合理的结构来实现这一自由度,对应的机身结构可以设计成如图13所示。为了考虑经济性以及实用性,机械手机身部分采用GY-4590材料,价格适中,但应用却是十分广泛。
图12 连接部件
图13 机身三维图
7.2 机身与主臂连接结构设计
机械手的机身需要支承除其自身以外的机械手所有部件,手部、手腕、主臂、副臂以及其它附属结构,因此机身的受力是整个机械手结构中最大的。
机身与主臂连接设计成轴状零件,由于该连接零件承受的压力较大,同时还要受到较大的转矩和弯矩,该零件的材质为45钢,连接轴的参数为435 cm×φ45 cm,结构如图14所示。
轴的两端分别连接着摇杆机构和主臂机构,两端均是采用螺栓固定,保证两两之间均不可出现相对运动,否
图14 连接轴
图15 直线气缸运动转换机构
7.3 机身气缸选用以及驱动力矩计算
由于结构的限制,机身气缸同样需要设计成直线气缸,通过一定机构的转换,实现摆动驱动,此处设计的气缸仍然是采用CG1型双作用式单活塞杆气缸,直线气缸的半径为20 mm。
1)机身气缸连接结构设计。由于机身气缸需要实现将气缸的直线运动转换成来回摆动运动,不能完全限制气缸缸体的自由度。由于是将直线运动转化成摆动,所以要求气缸缸体也可以进行一定量的相对回转,否则将会出现连杆机构中的死点位置,导致装置失效,并且无法实现可调性,设计的整个转换机构如图15所示。
2)缓冲设计。整个机械手的5个自由度均是采用气缸驱动,气缸的特性导致其在运作时会产生较大的惯性,除了手部的水口夹自带气缸手腕的回转气缸,以及机身的直线气缸摆动机构不需要设计缓冲装置,另外的2个气缸均需要设计缓冲装置,缓冲装置的作用是保证系统的可靠性,对元器件起到保护作用。塑件取件机械手的尺寸结构不大,相对的惯性也不会很大,因此采用液压缓冲器就可以满足设计要求,液压缓冲器的结构如图16所示。
图16 缓冲器
8 结论
设计的机械手应用于注塑行业注塑机流线上,专用抓取塑件。机械手一共设计了5个自由度,运动均由气缸来实现。除了手腕部分的气缸为回转气缸,其它4处的气缸均为直线气缸。该机械手工作效率高、成本低、性能稳定。