活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

王宇鋼，王 朝

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

活塞桿是油缸、氣缸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要執(zhí)行部件，用于支持活塞做功，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)頻繁、技術(shù)要求較高的運(yùn)動(dòng)部件。活塞桿基本特征是細(xì)長(zhǎng)軸加工，其加工難度大，在加工過(guò)程中涉及工序繁多，其上下料基本依靠人工實(shí)現(xiàn)，勞動(dòng)量大且效率低。

工業(yè)用機(jī)械手是機(jī)器人末端的操作機(jī)構(gòu)，能模仿人手的動(dòng)作功能，完成抓放材料、搬運(yùn)物件或操持工具等工作[1]。使用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)活塞桿加工的自動(dòng)上下料，能有效降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)工人勞動(dòng)條件[2]。為促進(jìn)活塞桿加工機(jī)械化，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用SolidWorks軟件對(duì)活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行三維造型，并進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證機(jī)械手設(shè)計(jì)的合理性。

1 活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手工作原理

針對(duì)機(jī)械手的工作要求，設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手安裝在機(jī)床上方的空架橋滑動(dòng)導(dǎo)軌上，可沿水平方向移動(dòng)，為整機(jī)移動(dòng)式。手部安裝于氣缸的活塞桿上，手部可以上下移動(dòng)，手部的抓緊動(dòng)作是由一小氣缸驅(qū)動(dòng)。搬運(yùn)機(jī)械手的功能是搬運(yùn)活塞桿工件運(yùn)送至指定地點(diǎn)，要求手爪能夠閉合和張開，從而抓住或釋放活塞桿。

機(jī)械手的手爪是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作的部件。機(jī)床常見的機(jī)械手爪，按其握持工件的原理，可分為夾持式和吸附式兩種。在夾持式中，按夾持工件的部位，可分為外夾型和內(nèi)撐型。由于活塞桿屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件，在運(yùn)輸中機(jī)械手爪所夾持的部位為活塞桿外圓表面，因此選用夾持式外夾型手部結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的手部機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾持式手部結(jié)構(gòu)原理圖

手部機(jī)構(gòu)工作原理為手爪由氣缸活塞桿驅(qū)動(dòng)多桿機(jī)構(gòu)使手爪回轉(zhuǎn)，夾持工件。其特點(diǎn)是承載能力較大、機(jī)構(gòu)可自鎖、夾持對(duì)象適用于軸、齒輪、盤類等零件。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置是使手爪實(shí)現(xiàn)開、閉動(dòng)作的動(dòng)力裝置，常見的有液壓、氣壓、機(jī)械、電氣等。根據(jù)機(jī)械手工作要求和負(fù)載分析，活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模

根據(jù)活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手原理分析，在Solid Works 2013繪圖軟件中進(jìn)行三維實(shí)體造型，然后通過(guò)裝配模塊完成各零件的組裝，機(jī)械手手部三維模型如圖2所示[3]。

圖2 活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手三維圖

為進(jìn)一步提高機(jī)械手的工作效率，設(shè)計(jì)時(shí)將三個(gè)活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)并列地安置在機(jī)床上方的支撐架上，活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手整機(jī)機(jī)構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 機(jī)械手整機(jī)機(jī)構(gòu)三維圖

整機(jī)支撐架4依靠水平滑動(dòng)導(dǎo)軌2導(dǎo)向，在驅(qū)動(dòng)氣缸1的作用下沿水平方向整機(jī)移動(dòng)。機(jī)械手支撐架豎直方向上的升降運(yùn)動(dòng)采用豎直方向驅(qū)動(dòng)氣缸3提供動(dòng)力進(jìn)行升降，采用直線軸承與滑柱5進(jìn)行導(dǎo)向。此處所設(shè)計(jì)的機(jī)械手整機(jī)水平方向上的平均速度較小，水平方向上移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩較小，故采用在閉式滑軌上側(cè)部位安裝機(jī)械擋塊6進(jìn)行定位。三個(gè)機(jī)械手從右到左分別對(duì)應(yīng)活塞桿加工時(shí)上料，加工，下料三個(gè)工位，這樣布置可實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行一次夾持動(dòng)作完成三個(gè)工件在三工位上的搬運(yùn)，能夠極大地提高工作效率。機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)、左右移動(dòng)和夾緊、松開均用電磁換向閥控制相應(yīng)氣缸的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)就是通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器，使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真可以在任意時(shí)刻查看各個(gè)組成部件的位置、位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的零件機(jī)構(gòu)配置[4]。

進(jìn)入SolidWorks/motion模塊設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手整機(jī)工作情況，定義機(jī)械手的初始位置，以此作為運(yùn)動(dòng)仿真的起始位置；分別設(shè)置5個(gè)伺服電機(jī)的速度，然后新建一個(gè)仿真分析，分別設(shè)置仿真時(shí)間、電機(jī)運(yùn)動(dòng)次序以及仿真類型后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕即可開始仿真[5-6]。

仿真結(jié)束后保存獲得的仿真結(jié)果，對(duì)活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手整機(jī)各部件的位移、速度、加速度進(jìn)行分析。機(jī)械手手部運(yùn)動(dòng)曲線、機(jī)械手整機(jī)水平運(yùn)動(dòng)曲線及機(jī)械手整機(jī)豎直運(yùn)動(dòng)曲線分別如圖4、5、6所示。

圖4 機(jī)械手手部運(yùn)動(dòng)曲線

圖5 機(jī)械手整機(jī)水平運(yùn)動(dòng)曲線圖

圖6 機(jī)械手整機(jī)豎直運(yùn)動(dòng)曲線圖

分析仿真運(yùn)動(dòng)曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械手手爪在夾緊與松開的時(shí)候，加速度有突變，且夾緊時(shí)加速度突然增大，松開時(shí)加速度減小，但加速度大小平均值為0.01 m/s2，表明手爪慣性力和慣性力矩較小。

由圖5可知機(jī)械手整機(jī)水平方向上運(yùn)動(dòng)的行程為0.18 m，平均移動(dòng)速度為0.08 m/s，單行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為6 s.

由圖6可知機(jī)械手整機(jī)豎直方向上運(yùn)動(dòng)的行程為0.085 m，平均移動(dòng)速度為0.03 m/s，單行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為3.8 s.

仿真結(jié)果顯示，機(jī)械手整機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，位移曲線光滑、結(jié)構(gòu)各部件無(wú)干涉。機(jī)械手整機(jī)機(jī)構(gòu)的水平方向、豎直方向升降速度均較小，故機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩較小，即機(jī)械手的動(dòng)載荷較小，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及定位均滿足工作要求。仿真結(jié)果可為活塞桿搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)際研制提供參照。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)活塞桿加工工藝的分析，設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案，用SolidWorks軟件建立三維實(shí)體模型并在指定的負(fù)載等參數(shù)下進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真得到了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫及運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，能有機(jī)地結(jié)合在一起工作，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)仿真得到的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)可為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供參考依據(jù)，可有效縮短開發(fā)周期并降低設(shè)計(jì)成本。