基于陶瓷托輥的搬運機械手設(shè)計

楊立潔，牛清娜

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

基于陶瓷托輥的搬運機械手設(shè)計

楊立潔，牛清娜

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

陶瓷材料的托輥在壓制軸承套過程中，托輥坯料的搬運過程是一項重復(fù)度極高的工序，本文結(jié)合實際生產(chǎn)中圓形托輥的軸承套壓入過程，設(shè)計了一個專用機械手。詳細(xì)介紹了機械手各部分的設(shè)計及計算過程，最后對該機械手的工作原理進行了闡述。該機械手的應(yīng)用不僅可以節(jié)省人力，且有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，進一步實現(xiàn)托輥的自動化生產(chǎn)。

托輥；機械手；機械臂；機身；末端執(zhí)行機構(gòu)

機器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等多方面交叉學(xué)科， 可在農(nóng)業(yè)、水下、航空、航天、工業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機械化中，研制出了用于蘋果、草莓、黃瓜、蘑菇等的果蔬采摘機器人，用于蔬菜嫁接、果樹分選、農(nóng)田作業(yè)等的作業(yè)機器人等；在工業(yè)機械領(lǐng)域，機器人已應(yīng)用在焊接、噴涂、裝卸、運輸?shù)葟?fù)雜危險、重復(fù)的作業(yè)中。工業(yè)機械手在工業(yè)界廣泛應(yīng)用，在機器人中占很大比重。

為減小輸送帶的運行阻力和限制輸送帶的垂度，輸送帶需要通過托輥組進行支承。托輥組通常由若干個輥子構(gòu)成，輥子由軸承、軸、密封、端蓋和管體等構(gòu)成。鋼制托輥由于生產(chǎn)制造簡便且成本較低而被廣泛應(yīng)用各行業(yè)中，然而鋼制托輥嚴(yán)重的磨損問題不容忽視，往往托輥軸承未損壞而托輥已經(jīng)被磨破。

陶瓷托輥是一種耐磨的圓柱體工件，其加工過程主要包括注塑、吊燒、切割、磨削、壓入軸承套等工序，其中壓制軸承座過程中托輥坯料的搬運過程是一項重復(fù)度極高的工序，目前主要采用人工的方式實現(xiàn)。本文結(jié)合實際生產(chǎn)中圓形托輥的軸承套壓入過程，設(shè)計了一個專用機械手，用于實現(xiàn)陶瓷托輥的搬運。

1 機械手的總體設(shè)計

本文設(shè)計的機械手應(yīng)用在陶瓷材料托輥毛坯的軸承套壓入工序中。該壓制過程是通過裝配壓力機實現(xiàn)的，按照規(guī)定的要求完成以下的動作。第一步，先把環(huán)形軸承套放入到托輥內(nèi)的凹槽內(nèi)；第二步，機械手從原點伸出手臂，機械手的執(zhí)行末端到毛坯放置位置抓取工件；第三步，機械手抓緊工件后，轉(zhuǎn)動機身，將毛坯轉(zhuǎn)到壓力機工作臺位置；第四步，壓力機的沖頭發(fā)生動作把軸承套壓入毛坯內(nèi)，形成過盈配合；第五步，壓力機的壓力機沖頭返回，機械手的執(zhí)行末端松開工件，機身旋轉(zhuǎn)，手臂縮回后返回原位。由上述分析可知，機械手實現(xiàn)的動作為：伸出—抓緊—旋轉(zhuǎn)—松開—旋轉(zhuǎn)—縮回。以上就完成了一次壓入裝配，之后重復(fù)上述動作。根據(jù)實現(xiàn)功能進行機械手的參數(shù)選取，最大抓舉重量為30 kg，手臂最大中心高為400 mm，伸縮行程為300 mm。

2 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手的整體結(jié)構(gòu)主要由機座、機身、手臂及末端執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。

（1）末端執(zhí)行機構(gòu)。機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)抓取的構(gòu)件，即機械手的手部。因為被抓取的工件的形狀、大小、重量區(qū)別、材料不同以及表面形狀的不同等，使得機械手的手部的結(jié)構(gòu)也不盡相同。因為機械手的抓取對象不同，實現(xiàn)原理不同，因而設(shè)計出來的末端執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)也是不一樣的。最常用的是鉗爪式、磁吸式和氣吸式，當(dāng)然還有一些特殊的形式。由于這次設(shè)計的機械手需要抓取的托輥毛坯是圓形的，所以選用了鉗爪式的外卡式結(jié)構(gòu)，機械手末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)的指端采用V型手指，不僅適合去抓取圓形的工件，且具有可靠的夾緊穩(wěn)定性，工作時誤差也較小。該末端執(zhí)行機構(gòu)包括推桿、手架、圓柱銷及機械手指等。機械手驅(qū)動推桿向左移動時夾緊工件，當(dāng)驅(qū)動推桿向右移動時，機械爪松開工件。設(shè)P為作用在推桿上的驅(qū)動力，N為機械手指的夾緊力，一般N=(2?3)G，機械爪對圓柱銷的的作用力為P1、P2 (且P1=P2，根據(jù)圓柱銷的平衡條件∑F=0可知：

又知工件對機械爪的反作用力大小等于夾緊力N，按照機械爪的平衡條件0M=∑可得：

因為

所以

式中：a——機械爪回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離；

b——機械爪回轉(zhuǎn)支點到“V”型鉗口中心線的距離；

α'——滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點間連線的夾角。

所以由公式（4）可得驅(qū)動力為

根據(jù)實際情況

式中：η——手部機構(gòu)的機械效率(0.85～0.9)；

K1—— 安全系數(shù)(1.5～2)；

K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。由式（6）可得驅(qū)動力為600 N。

（2）臂部的結(jié)構(gòu)。由于本次設(shè)計的機械手只實現(xiàn)伸縮，無需彎曲的功能，故其僅有一個自由度。因此本設(shè)計中的機械手臂部結(jié)構(gòu)極為簡單，重量較輕，因此，選用雙導(dǎo)向的桿式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。另個導(dǎo)向桿分別布置在兩側(cè)，中間為伸縮液壓缸，這種方式不僅能夠承受較重的載荷，且剛性較好。在機械比的前端安裝了支撐板，用于安裝液壓缸，該液壓缸為驅(qū)動機械爪的夾緊與松開。臂部在作水平的伸縮運動的時候通過氣缸進行驅(qū)動，液壓缸的驅(qū)動力F為克服機械臂伸出時的摩擦阻力，這個阻力包括液壓缸與活塞之間產(chǎn)生的摩擦阻力和導(dǎo)向桿與支承滑套之間產(chǎn)生的摩擦阻力等，還要克服開啟時產(chǎn)生的慣性力等。工件等運動件的總質(zhì)量為m，工件與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為f，所以

式中：θ——阻力負(fù)載。

經(jīng)計算，液壓缸的驅(qū)動力F為900N。

（3）機身及機座機構(gòu)的設(shè)計與計算。機械手的機身是機械手的關(guān)鍵部件，一方面機身要與支撐底座相連，另一方面還要連接機械手的其他部件，實現(xiàn)整體的連接、支撐，因而，在進行機身設(shè)計中，需要注意根據(jù)機身的受力、整體結(jié)構(gòu)、工作要求進行整體考慮，在設(shè)計時要注意，根據(jù)受力的情況不同來選擇合適的機身形狀及機身輪廓，盡量增大支撐和接觸剛度，結(jié)構(gòu)盡量緊湊，傳動系統(tǒng)盡量剪短。本文設(shè)計的機械手機身僅僅實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，因此設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。選用齒輪齒條擺動液壓缸來控制機械手的回轉(zhuǎn)運動，需要計算回轉(zhuǎn)力矩?；剞D(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩包括兩項：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩；自身運動部件和其攜帶的手臂、手部和工件等。故驅(qū)動力矩可按下式計算：

式中：mM——總摩擦阻力矩()N mg；

Mg——各運動部件總慣性力矩(Ng m)；計算得到總的回轉(zhuǎn)力矩Mq=135( Ng m)。

（4）機械手總體結(jié)構(gòu)。在完成了機械手的各個部件設(shè)計后，得到的機械手總體結(jié)構(gòu)。機械手的各個動作的實現(xiàn)過程為：①手臂的外伸或收縮。手臂上的液壓缸為雙作用的單活塞桿液壓缸，當(dāng)液壓缸中供油后，該液壓缸的缸體沿著兩端對稱的圓柱形的導(dǎo)向桿做水平外伸或收縮，帶動機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)隨之外伸或收縮。②抓緊與松開。末端執(zhí)行機構(gòu)的前端的液壓缸為夾緊缸，它可驅(qū)動推桿執(zhí)行平移，推桿靠圓柱銷安裝在兩個手指上的滑槽之中，圓柱銷可以在滑槽中進行往復(fù)的移動，隨著夾緊缸的活塞桿的伸縮，兩個手指就繞著它與手支架上固定的兩個鉸銷作為支點進行回轉(zhuǎn)運動的動作，這樣就可以實現(xiàn)了機械手用來夾緊工件和松開工件的動作。③腰部的旋轉(zhuǎn)。底座固定的是齒輪齒條擺動液壓缸，機身內(nèi)的轉(zhuǎn)動軸與上端的轉(zhuǎn)動頭以花鍵緊密配合在一起，這樣軸的轉(zhuǎn)動就帶動轉(zhuǎn)動頭以及臂部和手部一起做回轉(zhuǎn)運動。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了機械手各部分的設(shè)計及計算過程，給出了末端執(zhí)行機構(gòu)、手臂及機械手的三維結(jié)構(gòu)圖，以及夾緊、伸縮和旋轉(zhuǎn)的力及力矩，并對機械手的工作原理進行了闡述。本機械手在托輥軸承座壓入工藝的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省人力，且有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，有利于進一步實現(xiàn)托輥的自動化生產(chǎn)。

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