李连升 机油冷却器芯分子总成装配机械手设计
多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1．机械手的组成
机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：1、自由度的旋转 2、肩的前后动作 3、肘的上下动作 4、腕(手)的动作驱动。
机械手主要由手部和运动机构组成。
（1）手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
（2）运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂，可靠性也越差。一般专用机械手有2～3个自由度。
2、机械手的结构
机械手由以下结构：执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。如图1-2所示：
图1-2
1.4.2 机械手的分类
1．按机械手的使用范围分类
（1）专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于
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某种机械或生产线，用以自动地传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，使用于动作比较简单的大批量生产的场合。
（2）通用机器人（也称工业机器人） 即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。
通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只能是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。
2．按机械手臂部的运动坐标型式分类
（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向移动。亦即臂部可以前后伸缩（定为沿Ｘ方向的移动）、左右移动（定为沿Ｙ方向的移动）和上下升降（定为沿Ｚ方向的移动）。
（2）圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的Ｘ和Ｙ方向移动，又可绕Ｚ轴转动（定为绕Ｚ轴转动γ角），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动。
（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴的Ｘ和Ｚ方向移动，还可以绕Y轴和Ｚ轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿Ｘ方向移动）、上下摆动（定为绕Ｙ轴摆动β角）和左右转动（仍定为绕Ｚ轴转动γ角）。
（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动α角，大臂可绕肩部摆动（仍定为绕Ｙ轴摆动）β角，手臂还可以左右转动（仍定为绕Ｚ轴转动）γ角。
3．按机械手的驱动方式分类
（1） 液压驱动机械手 以压力又进行驱动。 （2）气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。 （3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动。
（4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种方式。
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1.4.3机械手在装配线上的应用
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。在自动装配生产线上，机械手往往是必不可少的设备。它模拟人手臂的部分动作，按预订的程序、轨迹共和要求，实现抓取、搬运和装配。在减轻人的劳动强度、提高装配质量和装配效率方面的效果。
1．供送料机械手
供送料机械手可以看作是一种无料槽、滑道的上料装置，它在一个位置抓取物品，然后将其搬运到另一个位置。在自动机、自动线中，物品供送（上料、卸料）过程中的基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将工件放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件、带走、放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作，供送料机械手的手爪必须到达两点（取料点——料槽；放料点——加工工位），这可通过机械手的立柱和手臂来实现；手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现；方位要求一般通过机械手的手腕来满足。
2．装配机械手
装配机械手是自动生产线上应用极为广泛的一种设备,其驱动主要是由气动系统完成,控制逻辑主要由可编程控制器程控产生。装配机械手程序控制主要由可编程控制器完成。
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第二章 装配线总体方案设计
2.1机油冷却器自动装配线的设计要求
通过在扬州通洋机油冷却器厂的实地考察，我们总结出机油冷却器自动在装配线的具体要求有：
1）装配线要完成每日生产机油冷却器1200件以上（每工作日以8小时记）； 2）装配线的占地面积尽量小，尽量节省制造成本； 3）保证机油冷却器的装配精度，提高装配质量； 4）减轻工人的劳动强度。
根据以上要求，要完成单件产品的装配需耗时：
t?8?3600S?24(S)1200
可知装配线的任何工位耗时都不得超过24秒。这就要求本设计要有紧凑的结构和较高的装配效率，同时尽量减少人为因素对产品装配的影响，以达到较高的装配质量和效率。
2.2装配工艺分析与确定
2.2.1机油冷却器装配工艺分析与确定
本课题的难点在于产品结构比较复杂，机油冷却器的自动化装配，由于受其组成零件的不同类型及形状限制，很难实现其全部零件的全部自动化装配。其中要解决的难题有：零件装配自动化，产品输送自动化，压紧工位的自动化。为此，设计一条半自动化的装配线比较适合该公司的生产水平。该装配线将包括机械手工位，人工工位，压紧工位。
2.2.1机械手工位工艺分析与确定
在本设计开始之前，手工装配效率很低，主要是由于散热片、水隔板、以及铜片的数量比较多（分别为9、10和20片），每层装配都要保证位置精确，并且不能装错数量和顺序，否则产品会不合格。这是多次的重复劳动，耗时很大。因此该工位可以通过机械手交替装配实现自动化。
水隔板焊片（铜片）、水隔板、散热片的交替装配在实现自动化装配的时候要考虑到如何更好的实现机械手的抓取。因为铜片面积小，中间多孔，无法用真
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空吸盘抓取；又因为铜片很薄，质量轻，不易于磁吸盘分料抓取。所以我们在设计前打算对水隔板结构进行适应性改造，取消了水隔板与散热片之间的20层铜片钎料，采用复合材料（水隔板两面镀铜），或用事先由另外一个工序将水隔板和两面铜片焊合的水隔片做成整体取而代之。这样就可实现对水隔片总成和散热片的机械手自动装配。
水隔片总成和散热片都为薄片形状零件，其自动装配通过机械手动作实现。由于水隔片总成零件表面积不大，故考虑采用磁盘式机械手装配；而对于散热片零件，其表面积较大，可采用吸盘式机械手装配。这两个零件的装配顺序通过可编程控制器来控制。
由于机械手的动作是程序化的，为了减少装配时间及提高装配精度，我们设计的机械手臂动作将尽量简单，用时尽量少。因此，我们在机械手工位的上料装置上设计举升机构，将零件放到托盘上，利用举升机构将托盘举升到机械手能抓到零件的位置，从而使机械手每次只需下降到固定的高度就可以抓到工件。后来在对机油冷却器定位装置的设计过程中，我们发现在导轨上也需要一个类似的举升机构，使机油冷却器的下盖上升至机械手刚好能把零件装配上去的高度。考虑到每个工位不得超过24秒，而装配零件数又很多，我们决定把机械装配工位设计为两个机械手工步，以达到减少工时的目的。
2.2.2手工工位工艺分析与确定
机油冷却器包含有上下盖和上下外壳，其装配量很小（各为1片），而且结构不利于机械手的抓取，因此采用人工装配。
在装配之初，先由工人将下盖、铜焊片、下外壳依次放到工作台上，当芯子在机械手工位装配完成之后，再由另一位工人加上上盖、铜焊片、上外壳。同时，因为机油冷却器在下一工位需要实现自动夹紧，所以还要加上一个压块。现有的人工装配时该工序是通过螺旋夹紧，即把机油冷却器通过中心孔套在一个中间插有长销（长销的另一端加攻有螺纹）的底座上，垫入一块压块后，按下气动压头开关，在压头压紧冷却器时手工旋入螺母进行夹紧。