應(yīng)用于物料搬運(yùn)的電磁式機(jī)械手設(shè)計(jì)

蔡德帥 胡笑奇

摘要：針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的物料搬運(yùn)等問題，本文進(jìn)行了物料搬運(yùn)機(jī)器手的設(shè)計(jì)。首先，分析了抓重、自由度、運(yùn)動(dòng)速度等主要參數(shù)，確定了利用電磁原理進(jìn)行重物夾持的搬運(yùn)方式，然后進(jìn)行了手部結(jié)構(gòu)的分析，最后確定了線圈匝數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：搬運(yùn)，機(jī)器手

一、前言

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。除了加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，在一定程度上能夠取代人力，減小產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)一般企業(yè)的需求，當(dāng)所搬運(yùn)的物體超過30公斤時(shí)，將會(huì)引起產(chǎn)業(yè)工人的疲勞，因此本文將重物搬運(yùn)至運(yùn)輸小車上作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本課題采用的坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系，包括Z軸升降、Z軸回轉(zhuǎn)、Y軸伸縮，三方向共同作用完成物料搬運(yùn)。

三、機(jī)械手的主要參數(shù)

（1）抓重（或臂力）。根據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)需要，本文將機(jī)械手的抓重設(shè)置為80kg。

（2）自由度數(shù)和坐標(biāo)型式。根據(jù)以上分析我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手為三自由度、圓柱坐標(biāo)式的簡(jiǎn)易輕型工業(yè)上、下料搬運(yùn)機(jī)械手。

（3）運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)可提要求，設(shè)計(jì)機(jī)械手的最大平移速度為 ，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為。為。以此滿足生產(chǎn)需求、節(jié)約資源，選擇最佳方案。

（4）行程范圍。本課題要求物料機(jī)械手的單向伸縮行程為，回轉(zhuǎn)角度范圍，X方向行程范圍，Y方向行程范圍。

（5）動(dòng)作過程及時(shí)間分配。設(shè)計(jì)出機(jī)械手大概的動(dòng)作過程以及時(shí)間分配：1）水平伸出需；2）豎直下降需；3）吸取物料需；4）豎直上升需；5）水平收縮需；6）逆向轉(zhuǎn)動(dòng)需1s；7）豎直下降需；8）松開物料需；9）豎直上升需；10）順向轉(zhuǎn)動(dòng)需1s。

（6）定位精度。機(jī)械手精度太低就完不成所需功能，精度太高成本又會(huì)增加。位置設(shè)定精度及重復(fù)定位精度，課題要求機(jī)械手定位精度為到之間。

四、手部結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用電磁式手部結(jié)構(gòu)，其工作原理為，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，電磁鐵電路構(gòu)成回路，此時(shí)電磁鐵具有磁性可以吸起要搬運(yùn)的工件；當(dāng)手臂移動(dòng)到所需要的位置時(shí)，此時(shí)斷開電磁鐵電路，電路短路，電磁鐵失去磁性同時(shí)手部松開工件。

手部吸起工件時(shí)所需要的力稱為握力，握力的大小與被夾持工件的重量、中心位置以及夾持工件的方位有關(guān)系，將握力假想為作用在過手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，以N表示。

電磁式手部握力的計(jì)算，只需根據(jù)工件的重量進(jìn)行分析，本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的工作方式是手指垂直位置夾緊水平位置放置的工件，并且是平面上吸取物料。所以應(yīng)選擇的計(jì)算公式為：

（1）

式中，M---物料重量（公斤）

g---重力加速度

由

所以

即 吸力為800牛頓

考慮到工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、震動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 為：

（2）

式中 η--手部的機(jī)械效率，一般?。ǎ?；

K1--安全系數(shù)，一般?。ǎ?；

K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似估計(jì)為（a為抓取工件時(shí)運(yùn)動(dòng)最大加速度，g為重力加速度）

利用電力系統(tǒng)，所以傳動(dòng)效率選擇 ，。

若被抓取工件的最大加速度取時(shí)， 則 。

所以

即

五、電磁式手部電磁鐵參數(shù)計(jì)算

因?yàn)閷?shí)際所需吸力：

所以電磁鐵吸力：

電磁力計(jì)算公式：

（3）

式中 ——真空導(dǎo)磁率為

B——磁通量

S——線圈面積

所以

（4）

式中： H—磁感應(yīng)強(qiáng)度

B—磁通量

（5）

式中： I—線圈中的電流

W—線圈的匝數(shù)

L—線圈的長度

（3-6）

公式中： U—線圈兩端的電壓

R為線圈的電阻

工業(yè)用電U=380V，經(jīng)查資料，起重電磁鐵線圈中通電的最大電流值為0～80A，本設(shè)計(jì)中取電流為50A。

綜上所述：該電磁鐵中的線圈匝數(shù) ，取線圈匝數(shù) W=4920匝

六、結(jié)語

本設(shè)計(jì)根據(jù)企業(yè)中搬運(yùn)物料的需求，分析了各種夾持方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了電磁式的夾持方式，以80公斤的搬運(yùn)重物為例進(jìn)行了手部機(jī)構(gòu)分析，計(jì)算了電磁吸力、電磁鐵線圈匝數(shù)等重要參數(shù)。

項(xiàng)目資助：浙江省新苗人才計(jì)劃資助（編號(hào)2016R431004）

（作者單位：麗水學(xué)院工學(xué)院）