武文軒
(上海 ABB 工程有限公司 上海 201319)
摘要：機械手是一種能自動化定位控制并可根據(jù)需求重新編程的多功能機器，在工業(yè)自動化生產(chǎn)中占據(jù)著重要位置。機械手的驅(qū)動方式可以是液壓傳動、氣壓傳動，也可以是電氣控制等。通過對一種快速抓取式機械手的設計，主要對手爪部分計算校核，并且對抓取誤差的產(chǎn)生進行分析。
關鍵詞：搬運機器人；機械手；結(jié)構(gòu)設計；誤差分析
機械手的驅(qū)動方式有氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機械傳動。廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有動作迅速、平穩(wěn)、可靠、結(jié)構(gòu)簡單輕便、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點。
對易于控制、無環(huán)境污染的場合，自由度技術(shù)常作為機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的首選。自由度機械手與其它控制方式的機械手相比，具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高等特點。
1 機械手總體設計
1.1 機械手工作原理
機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、SCARA 型等。
本論文所針對的機械手屬于圓柱坐標式，如圖1所示。機械手主要是由基座和手臂兩部分組成，基座的主要任務是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)。手臂裝在基座上，作上下直線運動，手部可夾緊/放松。
本機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制。驅(qū)動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅(qū)動氣缸。
本機械手氣壓驅(qū)動的工作壓力為0.6MPa，最高可達1MPa。這個機械手具有兩個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度，用于將原工作臺上的物品搬到其左側(cè)工作臺上。整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。機械手的工作流程如圖2所示。
其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升
降位置微動開關相互配合完成， 升降工作行程為0~1500 mm。轉(zhuǎn)動是通過擺動氣缸、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關協(xié)調(diào)完成，轉(zhuǎn)動工作角度范圍為 0~180°。手部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預壓縮量來控制。
1.2 機械手系統(tǒng)總體設計方案
本設計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合；（2）腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 180°；（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平移 1.2 m；（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。
機械手及工作臺組成的機械手搬運系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
機械手、工作臺和紅外檢測器固定在一個大型的基座上。機械手的手部正下方有工作臺，用于放置物品。在機械手的基座和工作臺之間安裝有一個紅外檢測器，用于檢測工作臺上是否有物品。機械手把物品從系統(tǒng)外抓取移送到右面的工作臺上。
2機械手運動分析及計算
2.1 手部設計基本要求
（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。
（2）手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度?y（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。
（3）在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重 量輕，以利于減輕機械臂的負載，提高效率。
（4）應保證手爪的夾持精度。
2.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）回轉(zhuǎn)型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2）移動型：即兩手指相對支座作往復運動。
（3）平面平移型。
2.3 機械手手部的設計計算
下面對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)進行力學分析：圖4（a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
在杠桿的作用下，銷軸向上的拉力為F，并通過銷軸中心0點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線001和002并指向0點，交F1和F2的延長線于A及B。
式中：α為手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm），α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。
由分析可知,當驅(qū)動力F一定時,a角增大,則握力FN也隨之增大,但α角度過大會導致拉桿行程過長,以及手部結(jié)構(gòu)增大,因此最好a= 30°~40°。
為了保證手爪張開角為60°，活塞桿運動長度為34mm。
手爪夾持范圍，在100mm以內(nèi)。當手爪沒有張開角的時候，如圖5（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設計，它的最小夾持半徑R1 =40mm，當張開角為60°時，如圖5（b）所示，最大夾持半徑R2計算如下：
所以機械手的夾持半徑在40~100 mm。
2.4 機械手手爪夾持精度的分析計算
機械手的精度設計要求工件定位準確，抓取精度高，重復定位精準及運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也與機械手夾持誤差大小有關，特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中。為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算分析。
該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度，如圖6所示。
機械手的夾持直徑范圍為80mm～200mm，一般夾持誤差不超過1mm，分析如下：
2.5 彈簧的設計計算
選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖7所示，計算過程如下。
（1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力：
（2）選擇旋繞比C=8,則
（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42(mm）,估算彈簧絲直徑：
（4）試算彈簧絲直徑:
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)∶
選擇標準為n=3 ，彈簧的總?cè)?shù)n1 =n+1.5 = 4.5 圈。
（6）最后確定D=42（mm)，d=7(mm)，D1=D-d=35(mm)，D2=D+d=49(mm)
（7）對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象,壓縮彈簧的長細比。本設計彈簧是2端自由,根據(jù)下列選取:
當兩端固定時，b≤ 5.3；當一端固定，一端自由時，b ≤ 3.7；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，b≤ 2.6。
結(jié)論：本設計彈簧 b =1.76 ≤ 2.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
3 結(jié)語
搬運機械手是現(xiàn)代機電一體化自動生產(chǎn)線中重要的輔助裝置。它可實現(xiàn)上下、左右、伸縮六個方向的三維空間運動，較適合經(jīng)常變更的生產(chǎn)與柔性制造生產(chǎn)的現(xiàn)代加工方法。機械手爪作為機械手的重要組成部分，其設計的優(yōu)劣， 對機械手的使用有直接的影響。因此，對機械手爪提出了重量輕便、結(jié)構(gòu)簡易、抓取穩(wěn)定、壽命長久的設計要求。
本文基于一款通用型機械手的設計,介紹了機械手的總體結(jié)構(gòu)及工作原理,重點對機械手爪的設計進行了計算校核,并對抓取誤差進行了分析,為今后對機械手及抓取部件的設計提供了一種思路與方法。
參考文獻
［1］范芳蕾，余宏濤，張克義，等.基于PLC的四軸搬運機械手實驗裝置的研究[J].裝備制造技術(shù),2017(10):80-83.
［2］龍創(chuàng)平，陳豪.氣動搬運機械手機械結(jié)構(gòu)設計及分析[J].中國設備程,2018(01):133-134.
［3］李衛(wèi)民，華雷.注塑機專用取件機械手結(jié)構(gòu)設計[J]. 機械工程師2018(07):52-54.
［4］王宇鋼，王朝.活塞桿搬運機械手結(jié)構(gòu)設計及運動學仿真[J].裝備制造術(shù),2018(06):5-8.
［5］胡傳松.沖床卸料機械手的結(jié)構(gòu)設計與有限元仿真[J].西安文理學院學報(自然科學版),2018,21(05):31-35.
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
