大負(fù)載工業(yè)機(jī)器手關(guān)鍵技術(shù)研究

李衛(wèi)民，劉牧歌

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

大負(fù)載工業(yè)機(jī)器手關(guān)鍵技術(shù)研究

李衛(wèi)民，劉牧歌

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

通過對大負(fù)載工業(yè)機(jī)械手的研究，探究了大負(fù)載工業(yè)機(jī)械手設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，包括總體方案的論證、傳動方案的確定、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)架的數(shù)值仿真，解決了因機(jī)械手負(fù)載很大導(dǎo)致的大變形、高能耗和耗材增加等問題。

大負(fù)載；機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)；氣動系統(tǒng)；有限元分析

由于人工成本的逐年上升和惡劣生產(chǎn)環(huán)境下的工作需要，為降低成本，提高工作效率，工業(yè)機(jī)器人的需求正在上升。在2013年，中國工業(yè)機(jī)器人的銷量已經(jīng)達(dá)36 860臺，超越日本成為了全球第一大機(jī)器人市場。2015年3月，國際機(jī)器人聯(lián)合會發(fā)布的最新行業(yè)調(diào)查報告稱，2014年中國憑借54%的增速，成為工業(yè)機(jī)器人的最大需求國[1-2]。

在工業(yè)機(jī)器人中，大負(fù)載搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計復(fù)雜。由于負(fù)載的加大，系統(tǒng)的變形會隨之變大，系統(tǒng)的能耗也會隨之增加，控制也越發(fā)困難。本文以車輪搬運(yùn)機(jī)械手為例，分析了大負(fù)載機(jī)械手設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 方案分析與確定

本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計方案。按設(shè)工程需要，所夾持件為重量范圍為150～170 kg的車輪，且如圖1所示。需將車輪在工位一和工位二間搬運(yùn)。工位一與工位二出于同一條直線上。圖2為搬運(yùn)至工位二后，機(jī)械手工作狀態(tài)。

如圖2所示，在工位二處，因工人操作需要，機(jī)械手需要抬升，翻轉(zhuǎn)車輪，再下降至工人可操作位置。當(dāng)操作結(jié)束后，機(jī)械手需將車輪翻轉(zhuǎn)回原位。

圖1 機(jī)械手工位圖

動作流程為：工位一處，機(jī)械手夾持車輪；機(jī)身上升抬起車輪并縮回伸縮臂；旋轉(zhuǎn)至工位二位置；機(jī)身上升，翻轉(zhuǎn)車輪；工人操作完成后，將車輪翻轉(zhuǎn)回去，將車輪放在輥道上。

圖2 工位二處機(jī)械手動作示意圖

2 傳動方案的確定

為實現(xiàn)上述動作，機(jī)械手需要合理的驅(qū)動方式。目前在機(jī)械手的各類驅(qū)動源中，氣動驅(qū)動方式極受人們青睞。這很大程度上是因為氣動驅(qū)動的效率，在短途時與電動不相上下，但氣動元件的成本卻比伺服電機(jī)低很多。大負(fù)載情況下，因氣缸無法滿足旋轉(zhuǎn)動作的轉(zhuǎn)矩，故只能在伸縮、升降和夾緊運(yùn)動中使用氣缸，旋轉(zhuǎn)部分需要使用伺服電機(jī)。機(jī)械手的機(jī)身回轉(zhuǎn)、腕部俯仰和腕部回轉(zhuǎn)三個運(yùn)動由伺服電機(jī)實現(xiàn)；而機(jī)身升降，伸縮臂的伸縮和夾緊運(yùn)動均由氣缸實現(xiàn)。因機(jī)身的重量很大，空氣壓縮性又較高，卻又有一定的精度要求，所以如何控制升降氣缸的精度就顯得尤為重要。

氣缸的一般定位方式是采用機(jī)械擋塊。但本次設(shè)計需實現(xiàn)氣缸多點定位，機(jī)械擋塊無法滿足。目前，實現(xiàn)氣缸的多點定位經(jīng)常應(yīng)用各種伺服閥系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)造價很高，許用公稱流量又較小，不符合本次設(shè)計的大負(fù)載情況。

考慮到本次設(shè)計雖然需要一定精度，但精度又不需要很高，2～3 mm的誤差也可以接受，故本機(jī)械手采用了三位五通中封式電磁閥與平衡閥結(jié)合控制的定位方式。

如圖3所示，平衡閥為順序閥與單向閥的并聯(lián)。工作時，調(diào)整組成平衡閥的順序閥，使其開啟壓力稍大于克服部件重力所需壓力。于是回路上存在背壓來支持負(fù)載，故只有再加上一部分壓力時，活塞才會運(yùn)動，使得換向閥處于中位時，因空氣壓縮性較大帶來的定位不準(zhǔn)的問題被背壓抵消一部分，使氣缸可停在精度較好的位置。

圖3 升降系統(tǒng)氣動原理圖

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

對于大負(fù)載的機(jī)械手，在設(shè)計時需要采用合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，盡可能減小大負(fù)載帶來的大功率。在機(jī)械手的各個部件結(jié)構(gòu)中，以腕部機(jī)構(gòu)最為重要。

3.1 夾爪機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械手需要夾持直徑巨大的車輪，手部夾持器夾持輪轂內(nèi)圈是必然的選擇。在由上述驅(qū)動源驅(qū)動的情況下，本機(jī)械手的夾持器要先進(jìn)行設(shè)計。因為只有確定的手部參數(shù)，才能去確定夾持部分的重心與腕部回轉(zhuǎn)中心的距離，才能所需轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而考慮腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)。

實現(xiàn)夾爪開合運(yùn)動的機(jī)構(gòu)有許多種，如齒輪齒條式機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿式機(jī)構(gòu)，或者卡盤形式等。對大負(fù)載機(jī)械手，最重要的是盡可能減小能耗，由于蝸輪蝸桿式機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率很低，并不適合大負(fù)載情況；齒輪齒條式機(jī)構(gòu)占據(jù)空間大；而斜楔式氣動卡盤的基本形式占據(jù)空間小，能夠大幅減小俯仰時所需轉(zhuǎn)矩，控制也比較簡單，所以選擇這種方案。

如圖4所示，從進(jìn)氣口A流入的壓縮空氣推動活塞3向下運(yùn)動，也就推動楔形塊2向下運(yùn)動，從而階梯式夾爪1得以水平張開，夾緊輪轂內(nèi)圈。

3.2 腕部俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計

夾持器結(jié)構(gòu)確定后，則可確定腕部回轉(zhuǎn)中心。車輪需要繞中軸線回轉(zhuǎn)，并需要被翻轉(zhuǎn)抬起，故需要回轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)兩個自由度。設(shè)計時，需考慮這兩個自由度的排列方式。如回轉(zhuǎn)自由度在后，則翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的偏心影響較大；如翻轉(zhuǎn)在后，則需連回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一齊翻轉(zhuǎn)，但偏心基本無影響。

圖4 手部夾持器

因一般步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩有限，如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在后，則很難使用現(xiàn)有的普通步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，而存在更高功率的伺服電機(jī)價格又比同功率的步進(jìn)電機(jī)高一些。而且，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)決定了其在徑向方向無法承受太高的扭矩，而當(dāng)回轉(zhuǎn)在后時，徑向卻一定會承受扭矩，這樣會使機(jī)件壽命降低。所以應(yīng)采用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在前，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)放在后的設(shè)計方案。

因回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在前，則回轉(zhuǎn)電機(jī)的長度對翻轉(zhuǎn)中心影響很大。又因負(fù)載很高，為降低所要翻轉(zhuǎn)的部件轉(zhuǎn)矩，需將轉(zhuǎn)軸前移。所以轉(zhuǎn)軸需位于翻轉(zhuǎn)部件的中心，需在翻轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)軸兩側(cè)預(yù)留空間?？紤]用撓性傳動傳遞轉(zhuǎn)矩至轉(zhuǎn)軸。

撓性傳動中，帶傳動中的同步帶傳動效果很好，比起鏈傳動，同步帶傳動精度更好，振動也更小。但同步帶的價格較高，而本次設(shè)計中，對翻轉(zhuǎn)的精度要求較低，故不需要采用同步帶，滾子鏈傳動已足夠滿足要求。

腕部結(jié)構(gòu)如圖5所示，因回轉(zhuǎn)電機(jī)1的長度，翻轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)矩需要由減速器輸出軸6傳遞到小鏈輪5上，再通過滾子鏈4傳遞到大鏈輪3上，最后通過鍵連接傳遞到翻轉(zhuǎn)軸2上，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

因為一般步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)不夠，故翻轉(zhuǎn)動作的驅(qū)動源只能采用伺服電機(jī)。

圖5 腕部機(jī)構(gòu)

如圖5所示，雙邊驅(qū)動翻轉(zhuǎn)，需要雙軸輸出?？稍趩屋S輸出的電機(jī)上外接雙軸輸出的減速器。

4 機(jī)架的有限元分析

大負(fù)載機(jī)械手設(shè)計中，機(jī)架的強(qiáng)度剛度非常重要。在傳統(tǒng)設(shè)計中，機(jī)架的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠設(shè)計者的經(jīng)驗來進(jìn)行初始設(shè)計，然后再進(jìn)行剛度強(qiáng)度的校核，但往往會造成過大的安全余量。而且有些復(fù)雜的部件，強(qiáng)度校核也比較困難。安全余量就會放的非常大，非常不利于企業(yè)的成本控制。在有限元技術(shù)的支持下，機(jī)架的設(shè)計可以通過數(shù)值分析得到完善。通過有限元分析進(jìn)行初始設(shè)計，然后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化等方式設(shè)計出機(jī)架結(jié)構(gòu)，再以有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度剛度的校核及疲勞分析，可以迅速有效的得到更好的設(shè)計方案。

機(jī)械手的伸縮臂形制初步選擇三種：橢圓管式，圓管與方形箱混合式和上部開口的方形箱式。

由伸縮臂的負(fù)載特性可知，變形必然集中在鉛垂面方向，故對于上述三種形制的伸縮臂，其中的橢圓管結(jié)構(gòu)不能開口。所以為將伺服電機(jī)包絡(luò)進(jìn)伸縮臂中，橢圓管伸縮臂的直徑會很大，比較耗材。所以首先排除這一方式。

在剩下的兩種方式中進(jìn)行選擇時，用SolidWorks進(jìn)行三維建模，令兩種方式的重量相近，然后考察其變形。

由于是做比較，為縮短設(shè)計周期，可做簡化分析。即在分析時，接觸面全做默認(rèn)設(shè)置，建模時用簡單的結(jié)構(gòu)替代復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格也盡量劃分的大些。這樣在有限元運(yùn)算時能夠迅速求得結(jié)果，做出比較，不必將時間浪費(fèi)在等待運(yùn)算結(jié)果上。變形分析結(jié)果如圖6。

圖6 變形分析結(jié)果

圖6所示變形相差不到0.01 mm，但圓柱箱體組合的方式的伸縮臂的重量要輕10 kg。

考慮到后方氣缸的排布，組合方式會影響氣缸擺放，而且組合方式所需組裝零件很多，在配合時會造成很大的誤差。故采用上部開口的方形箱式。

初步確定設(shè)計方案后，可根據(jù)應(yīng)力分布對設(shè)計進(jìn)行完善，或者使用拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在工作過程中各零部件所受應(yīng)力可能隨時間作周期性的變化，這將產(chǎn)生疲勞。

本機(jī)械手有三處動作會使所受應(yīng)力產(chǎn)生周期性變化，分別為手部夾緊動作、腕部俯仰動作和機(jī)身升降動作。夾緊時動作不計，俯仰動作和升降動作在伸縮臂上均產(chǎn)生應(yīng)力，所以伸縮臂一定是危險零件。這兩個動作每15 s共發(fā)生2次，按此計算，25年需105 120 000次，約合10的八次方次。

兩動作產(chǎn)生的力均由加速度產(chǎn)生，但機(jī)械手的動方式是復(fù)雜的，工程需要的加速度未必一致。

但在設(shè)計中，需考慮的是極限加速度的受力情況。也就是最大設(shè)計載荷，最大設(shè)計加速度時的受力情況。以此進(jìn)行疲勞分析。

本次設(shè)計機(jī)械手的最大設(shè)計載荷為180 kg，則腕部俯仰最大離心力

升降時的加速度造成的慣性力為：

設(shè)計加速度為0.5 m/s2，質(zhì)量m小于700 kg。

在ANSYS Workbench中，采用靜力學(xué)分析后再使用fatigue tool功能，結(jié)果如圖7所示。在極限伸出位置時，最危險結(jié)構(gòu)處安全系數(shù)依然大于1，滿足設(shè)計要求。

圖7 疲勞分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過對大負(fù)載機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，研究了其關(guān)鍵技術(shù)，使機(jī)械手在滿足設(shè)計要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡單動作靈活。在機(jī)械手行業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，給設(shè)計人員一個具有一定現(xiàn)實意義的參考。

[1]王政.我國躍居全球第一大機(jī)器人市場機(jī)器人托起“中國智造”[EB/OL].[2014-11-05].http://scitech.people.com.cn/n/2014/1105/c1007-25975775.html.

[2]李華梁.2014年中國工業(yè)機(jī)器人銷量猛增五成[EB/OL].[2015-03-25].http://news.xinhuanet.com/fortune/2015-03/25/c_1114760418.htm.

[3]劉文波,陳白寧,段智敏.工業(yè)機(jī)器人[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2007.

[4]韓建海.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2009.

[5]丁欣碩,凌桂龍.ANSYS Workbench14.5有限元分析案例詳解[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[6]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[7]SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實用技術(shù)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[8]李兵.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[9]秦大同,謝里陽.氣壓傳動與控制設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

責(zé)任編校：劉亞兵

Key Technology Research of Industrial Manipulator for Heavy Payload

LI Wei-min，LIU Mu-ge

（Mechanical Engineering&Automation College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

Through the design of an industrial manipulator for heavy payload,the key technology of the mechanical structure design of industrial manipulator for heavy payload is explored.This research includes the demonstration of the overall scheme,determination of transmission scheme,design of mechanical structure and the numerical simulation of body frame.And the problems are solved through this research such as large deformation,high energy consumption and increase of material consumption.

heavy payload；manipulator；mechanical structure；pneumatic system；finite element analysis

TP241.2

A

1674-3261(2017)01-0017-04

2015-12-09

遼寧省科技攻關(guān)項目計劃資助（2014106008）

李衛(wèi)民(1965-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

10.15916/j.issn1674-3261.2017.01.005