1、微型齿轮箱五维装配系统的结构设计摘要：为了解决目前机械制造业中装配部分所占的劳动与制造成本较高的问题，对微型齿轮箱的生产装配过程进行研究，设计了一套针对微型齿轮箱的五维装配系统。该装置主要包括自动夹紧装配机构、气动机械手机构和实现五维运动的传动结构。对此五维装配系统的总体布局及其组成部分进行了详细设计，并给出了五维装配系统结构的主要性能规格参数。该装配系统可大大降低生产成本和减轻装配工人的劳动力。关键词：微型齿轮箱； 五维装配系统； 柔性制造Design of the Five-Dimensional Structure of the Micro Geer Box Assembly Syste
2、mAbstract:This article focuses on the five-dimensional structure of the micro geer box assembly system design and calculation process. It firstly introduces the working principle and the various components of the five-dimensional assembly system, which describes the forms of movement. Then it descri
3、bes the specifications and parameters on the performance of the five-dimensional structure of the micro geer box assembly system It mainly introduces designs on automatic clamping assembly, pneumatic manipulator , the achievement of five-dimensional movement of the drive and the structural design of
4、 major components to reduce the produce cost and labor of assembly workers.Keywords: Five-dimensional movement;Assembly system;Flexible Manufacturing;Pneumatic Manipulator前言 *据统计，在机械制造生产中约有 40%的劳动用于装配作业，产品的装配成本占总制造成本的50%左右。因此发展柔性装配技术已成为亟待解决的问题。柔性装配系统单元是柔性制造系统的重要组成部分，它是按预定的程序、轨迹及其它要求, 实现抓取、搬运、装配工件的自动
5、化生产装配系统。它允许生产调度的动态变化，能够适应不同的控制策略，是实现多品种、小批量零部件装配自动化的合理科技途径。特别是作业环境不宜人类接近的危险作业，有利于改善装配环境、保障生产安全。实现柔性装配技术，还有利于解放劳动力、降低生产成本、提高加工质量、提高工作效率等。所以, 研究与开发柔性装配系统具有比较广泛的实际意义和应用前景 13 。1 总体方案设计1.1 五维装配系统的工作原理五维装配系统就是具有 X、Y、Z 三方向直线移动功能和两个绕 Z 向旋转功能，并且可实现相互间准确的空间位置关系，可精确控制动作的位置和高度，完成零件从一个位置抓取、运送并准确装入到另一个待装位置进行装配。首先
6、由旋转机械手把多工位环行线上装配工位中已加工好的齿轮箱自动送入齿轮箱夹紧机构（2-1）中，同时齿轮箱被夹紧。气动机械手把供给单元中的齿轮心轴装入齿轮箱的第一级齿轮内，并通过视觉系统对第一齿轮的位置进行记忆，然后视觉系统对货料输送机构中滑动载货台上的第二级齿轮各齿型角度位置进行记忆，由气动机械手将第二级齿轮夹紧进行齿轮箱齿轮的啮合，在此过程中通过视觉处理器对第一级齿轮与第二级齿轮的啮合角度进行计算，并把计算结果传给伺服电机由伺服电机带动齿轮旋转使其与第一级齿轮准确啮合，实现齿轮箱的装配。通过槽轮机构使其被送入旋转机械手工位，由旋转机械手把装好的齿轮箱放入多工位环形线，进入下一制造系统单元 4。自
7、动流程图如图1。山东省自然科学基金项目（ZR2-009FQ026）自动夹紧装配机构图 1 自动装配流程图1.2 五维装配系统总体结构微型齿轮箱五维装配系统主要由自动夹紧装配机构、气动机械手机构和实现五维运动的传动机构组成，其总体结构如图 2 所示。图 2 五维装配系统单元结构图(1) 自动夹紧装配机构 (2) 气动机械手机构 (3) 传动机构1.3 X、Y、Z 三方向直线移动传动设计微型齿轮箱装配过程由气动机械手执行，气动机械手在 X、Y、Z 三方向直线移动传动如图 3 所示。3 所示。气动机械手在 X 方向的直线移动是由 X 向电动机通过同步带实现传动的；气动机械手在 Y 向的直线移动是由
8、Y 向电动机通过两条同步带带动 X直线单元在 Y 方向直线移动，从而实现气动机械手在 Y 方向的直线移动；在 Z 向上气动机械手直接与升降气缸固定连接，由升降气缸直接带动其实现在Z 方向的直线运动。传动机构气动机械手机构实施装配图 3 三方向直线移动传动设计图(1) Y 直线单元 (2) Z 直线单元 (3) X 直线单元(4) X 向电动机 (5) Z 向升降气缸 (6) Y 向电动机2 设计与计算2.1 自动夹紧机构的设计与计算自动加紧装配机构主要由交流电动机、锥齿轮机构、槽轮机构、货箱夹紧机构、转盘心轴和转盘组成，如图 4 所示。转盘为执行件，装配工作在转盘上的工位槽内完成，其动力由交流
9、电动机提供。动力的传动过程如下：首先电动机通过锥齿轮将动力传给槽轮机构，再由槽轮机构传给转盘机构，从而实现转盘在 Z 向的旋转。自动夹紧装配机构主要是利用槽轮机构的间歇运动实现齿轮箱的装配，提高生产效率。图 4 自动夹紧装配机构图(1) 锥齿轮机构 (2) 槽轮机构 (3) 货箱夹紧机构 (4) 转盘 (5) 转盘心轴 (6)交流电动机2.1.1 工位槽的结构设计已知要装配的工件为齿轮箱，其主要尺寸为60mm 40mm 25mm，重约 200g。在便于安装和定位的前提下，根据工件尺寸确定转盘上的工位槽的尺寸为 80mm 65mm 9mm。如图 5 所示 。图 5 工位槽的尺寸2.1.2 槽轮机
10、构的设计与计算1类型选择据设计要求，槽轮机构设计采用径向槽轮机构。径向槽轮机构的特点为：冲击小、制造方便、槽轮的动停时间取决于槽数 Z。槽轮机构的定位方式采用凹凸锁止弧定位。此种定位方式的特点是结构简单，定位精度先对较低。为了提高定位精度应使锁止面建的配合间隙尽量小一些，并可附加其他的精确定位装置 5。2槽轮机构的设计与计算按照设计要求装配时间为 2min，即槽轮间歇时间为 2min。根据结构尺寸要求，中心距定为90mm。由已知条件，槽轮机构的设计计算如下：（1） 槽数 z=4（2）槽间角 2 3609z（3）槽轮每次转角时曲柄的转角 22180(1)90z（4）中心距 a=90mm（由结构条
11、件选取）（5）曲柄长 r sin63.4ma圆整得：r=64mm（6）槽轮名义半径 R，2cos1()63.4raa圆整得：R=64mm（7）圆销半径 Armm，取 mm10.56Ar10Ar（8）槽深 h .4a即： ，取 h=48mm47.8m（9）槽轮轮毂直径 Kd2(1)0.56KAra即： ，取 =30mm3.74kK（10）曲柄轴轮毂直径 0d02(1)da即： ，取 =45mm5.74m0（11）锁止凸弧半径 sr,取 =50mm3.sArs（12）圆销个数 j=1（13）槽轮每次转角时间 =40sdt（14）槽轮每次停歇时间 =120sjj（15）曲柄转速 r/min16304
12、28n（16）曲柄角速度 ， 1w1n（17）外槽轮最大类角加速度 2max15.40697（18）最大类角加速度发生处 2max1749图 6 槽轮机构结构图2.1.3 夹紧气缸的设计设计与计算考虑微型齿轮箱装配精度的问题，所以在工件进行装配时要进行工件的定位夹紧，另外参照结构要求可采用气缸夹紧的方式 6。因所需加紧力不大，可初步选定气缸行程为 5mm，所需夹紧力为60N。参照机械设计手册 气压传动 ，气缸设计如下：取气缸的压力为 0.63MPa。（1）选用双作用气缸 .231mpuFD（2）钢筒壁厚 , 得：0.2因制造困难可将壁厚增至 2mm，材料：铝合金2A12（3）活塞杆直径和长度
13、41.281.4mpupuFd取 d=5mm（4）缸筒许用应力 50bpn（5）细长杆比 8LmK12542.（6）气缸的压杆稳定极限力23.N1()KfAFmLa（7）活塞杆稳定条件，故活塞杆稳定892KpuFn2.2 气动机械手的机构设计气动机械手主要由气缸和机械手部分组成。其中机械手部分又可分为曲柄滑块机构和机械手手爪部分。机械手部分通过气缸活塞杆直接与气缸相连。机械手手爪直接用螺钉固定在滑块上，在制造时应该保证机械手手爪的安装精度 7-8。根据设计要求，气动机械手最终实现平行夹紧运动，由设计要求和结构特点可以类比曲柄滑块机构进行设计，最终可通过曲柄滑块机构实现机械手的平行夹紧运动。其结
14、构图如图 7 所示。图 7 气动机械手结构图(1) 机械手手爪 (2) 曲柄滑块机构 (3) 气缸3 结束语通过对微型齿轮箱装配生产过程的研究，设计了一套针对微型齿轮箱的五维装配系统。主要完成了该装配系统的自动夹紧装配机构、气动机械手机构和实现五维运动的传动结构的设计，并给出主要性能规格参数。该装配系统用于微型齿轮箱的装配可大大降低生产成本、提高工件加工质量、提高工作效率并减轻装配工人的劳动力。参 考 文 献1 姜培刚、盖玉先. 机电一体化系统设计. 北京：机械工业出版社，20032 吴宗泽. 机械设计实用手册. 北京：化学工业出版社，19933 Athar Masood, K Srihari
15、t. RDCAPP: A real time dynamic CAPP system for an FMS. .Int J Adv Manuf Technol, 1993, 8：358-370 4 柔性制造系统使用说明书.天津源峰科技发展公司. 20055 成大先 . 机械设计手册 单行本 机构. 北京： 化学工业出版社，20046 成大先 . 机械设计手册 单行本 气压传动. 北京： 化学工业出版社，20047 席志纲.机器人装配单元的系统研究D.南京理工大学，2003.8 机电一体化技术应用实例编委会. 机电一体化技术应用实例. 机械工业出版社侯荣国：男，1979 年 8 月生，山东理工大学机械工程学院机械制造系，讲师，电子信箱：，办公电话：05332786972，手机：13053387019
