詹玉新
(滁州职业技术学院 电气工程学院，安徽 滁州 239000)
横向稳定杆又称防倾杆，是汽车悬架中的一种重要辅助弹性元件，是用弹簧钢制成的扭杆弹簧，形状呈“U”形，横置在汽车的前端和后端。其作用是防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾和改善行驶平顺性。[1]弯曲成型与热处理是横向稳定杆生产的一道重要工序，工作环境温度高，环境条件差。目前横向稳定杆弯曲成型与热处理上下料大多是人工劳作，手持夹钳夹持工件上下料，不仅生产效率低，劳动强度大，且检测温度不精确，影响产品的质量。近年来，为了降低劳动强度，提高生产效率，实现产品的自动化，自动化上下料系统应用在各行各业中应用越来越广泛。马常杰等研究并设计了一种用于履带板热处理的自动上下料系统；
[2]刘子杨等研究设计了一种用于托板螺母冷挤压加工的自动上下料；
[3]徐爱华等研究了用于接杆加工的自动化上下料装置。[4]
根据横向稳定杆的生产工艺，以及产品的形状结构，本文设计一种用于横向稳定杆热处理与弯曲成型的自动上下料机器人夹具，进行整体布局方案设计，并对机器人夹具进行总体结构设计以实现上下料的自动化，提高生产效率，减少人工劳动强度。
1.1 生产工艺分析
横向稳定杆材质采用弹簧圆钢，需经过整体加热、弯曲成形、淬火处理3道重要生产工序，其具体生产工艺分析如下：
整体加热：把下料后的坯料放在中频感应加热炉加热到950°～1000°；
弯曲成形：整体加热后的半成品横向稳定杆，放入液压全自动成型机进行弯曲成形；
淬火处理：从液压全自动成型机出来的半成品装夹在专用杆件淬火机上，进入淬火油池进行淬火处理。
1.2 方案设计
根据横向稳定杆的热处理生产工艺，采用机器人对各生产工艺之间的流程进行自动上下料，以实现自动化。1号机器人布置在整体加热与弯曲成形生产工序之间，实现对整体加热的杆件下料与弯曲成形上料。2号机器人布置在弯曲成形工序与淬火处理工序之间，实现对弯曲成形后杆件下料与淬火处理工序的上料。两台机器人协调工作，完成横向稳定杆在热处理与弯曲成形生产中的自动上下料，根据机器人的节拍，其生产效率可达到6秒一件。其方案布置图如图1所示。
如图1所示，其自动上下料生产流程如下：横向稳定杆在中频感应加热炉整体加热后，进入到自动定位装置，并定位好。1号机器人抓取整体加热后的横向稳定杆，放料到液压全自动成型机的合适位置进行弯曲，弯曲成形后，1号机器人返回加热炉杆件定位装置处，同时2号机器人夹具进入到弯曲后的杆件定位处，并抓取杆件，机器人上测温仪对杆件进行温度检测，若杆件符合温度要求，抓取杆件并放料到专用杆件淬火机的定位构件上，完成弯曲成形后杆件的下料，使其进入淬火池进行淬火处理。若杆件不符合温度要求，则机器人把杆件从弯曲成型机上放料到废品箱中，并进入下一个循环。为保证两台机器人在运动过程中不相互干涉，并最大限度提高工作效率，可设置机器人工作路径为：当1号机器人放料到弯曲成型机时，2号机器人把前一个弯曲后的杆件放料到淬火机的定位构件上，1号机器人返回到加热炉位置时，2号机器人返回到弯曲成型机杆件定位位置处。
图1 方案布置图
2.1 夹具总装设计
根据生产要求，该自动上下料系统需兼容多种产品，故夹具设计应能够兼容多种产品，且换一种型号产品时，为便于装配及示教，对于抓取位置应便于读取，故根据横向稳定杆的型号、结构形状及工艺质量要求，均采用双抓手设计，且具有防窜动功能。由于2号机器人具有温度检测功能，比1号机器人多测温装置，其余夹具结构相同，故2号机器人夹具总装图如图2所示。
(a)夹具主视图 (b)夹具剖面俯视图 (c)夹具轴侧图图2 机器人夹具总装图
如图2所示：机器人夹具包括1-带方形座轴承、2-左固定板、3-左旋丝杆、4-刻度尺、5-直线轴承连接块、6-轴承座、7-联轴器、8-右旋丝杆、9-连接板、10-右固定板、11-手轮、12-固定把手、13-防转动件、14-轴环、15-空心导向轴、16-连接杆、17-手指组件、18-垫块、19-指针支架、20-刻度尺指针、21-测温仪支架连接板、22-测温仪支架、23-红外测温仪、24-左旋丝杆螺帽、25-深沟球轴承、26-右旋丝杆螺帽、27-法兰连接盘、28-无油衬套、29-杆件。
为兼容多种产品，本夹具采用手轮装置，当摇动手轮时候，带动左右旋丝杆转动，通过丝杆的旋转运动转化为直线运动，使得左旋丝杆螺帽连同左手指组件与右旋丝杆螺帽连同右手指组件相向运动，同时可调整手指抓取杆件的位置。
左右两端带方形座轴承分别与左右丝杆相固连，起固定与支撑作用。左旋丝杆螺帽与右旋丝杆螺帽分别安装在左旋丝杆与右旋丝杆上。直线轴承连接块上端均与对应的左右旋丝杆螺帽相连接，下端与直线轴承相连接。直线轴承连接块连接直线轴承，并带动手指组件在空心轴支撑与导向作用下移动，从而调整手指抓取杆件的位置及兼容产品的类型。联轴器两端分别连接左旋丝杆右旋丝杆，使得在手轮的作用下，左右旋丝杆能同时转动。固定把手与防转动件连接，使得在机器人运动过程中丝杆被固定，防止丝杆的转动引起夹具抓取位置的改变。刻度尺与刻度尺指针是为了对应切换产品型号时，便于快速找到夹具抓取杆件的位置，减少示教及调试的时间。
法兰连接盘一端与机器人第六轴关节相连接，另一端与连接板连接，连接板两端分别与左右固定板相连接，构成夹具的整体框架。为减小夹具的重量，同时满足整体结构的刚度要求，连接板材质采用碳素结构钢Q235A，中间间隔挖空，既能保证刚度要求，又能减少重量，其连接板结构图如图3所示。
图3 连接板结构图
2.2 手指组件设计
手指组件安装在夹具末端，起抓取夹持杆件作用。根据杆件的大小及结构形状，本手指组件采用气缸作为驱动力，齿轮连杆机构[5]作为传递机构，传递运动和动力来夹持杆件，其手指组件总装图如图4所示。
(a)手指组件轴测图 (b)手指组件齿轮机构剖视图图4 手指组件总装图
由图4手指组件总装图可知，其组成结构包括30-关节轴承、31-挡盖、32-左夹爪连杆、33-隔热板、34-抓手、35-隔热垫、36-右夹爪连杆、37-盖板、38-立板、39-驱动气缸、40-U型脚架、41-气缸安装板、42-箱体、43-转动连杆、44-轴承、45-左齿轮轴、46-左侧长隔套、47-左侧短隔套、48-右齿轮轴、49-圆柱齿轮、50-右侧隔套。
两立板一端均与安装板相连接，另一端分别与夹具上直线轴承连接块和垫块相连接。驱动气缸通过安装板固定在立板上，关节轴承安装在活塞杆上，转动连杆一端与关节轴承连接，另一端与左齿轮轴固定。两圆柱齿轮与深沟球轴承及左右侧隔套分别安装在左齿轮轴和右齿轮轴上。两齿轮轴安装相互平行，齿轮轴之间的间距为齿轮的分度圆直径大小。左齿轮轴与右齿轮轴两端分别安装在箱体与盖板上，左夹爪连杆与右夹爪连杆一端安装在左齿轮轴和右齿轮轴上，由于抓取的杆件达到950°以上，为减少温度对气缸等零部件的损害，左右夹爪连杆均采用耐高温不锈钢材质，且另一端安装隔热垫与隔热板。抓手与高温杆件直接接触，采用合金热作模具钢H13,与隔热板安装在夹爪连杆上，为增加摩擦力，抓手夹持部分做成齿形。
其工作原理及过程为：气缸活塞杆向前移动，带动关节轴承向前移动，使得连同关节轴承的转动杆转动，转动关节带动左齿轮轴转动，使得与左齿轮轴固连的圆柱齿轮与左夹爪连杆一起旋转，左齿轮轴上的圆柱齿轮与右齿轮轴上的圆柱齿轮外啮合，转动方向相反，左齿轮轴与右齿轮轴旋转方向相反，从而左夹爪连杆与右夹爪连杆转动方向相反，实现安装在左夹爪连杆与右夹爪连杆上的两抓手夹持和松开动作，完成机器人对杆件的抓取。
通过对横向稳定杆热处理及弯曲成形的生产工艺分析，设计一种横向稳定杆生产自动上下料的机器人夹具。先对上下料系统总体布局方案进行设计，一台机器人用于中频感应加热炉与弯曲成型机之间的上下料，另一台机器人用于弯曲成型机与淬火机之间的上下料，两台机器人相互配合，重点对夹具进行总体设计以及夹具中手指组件的设计，并对结构进行分析。研究结果表明：该机器人夹具能够用于横向稳定杆的自动上下料，满足生产使用要求，能够达到减少人工劳动强度，提高生产效率的要求，满足6秒生产一件的节拍，实现企业生产自动化。
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