血液檢測(cè)組件上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

杜慧林,高志彬,劉志紅

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，山東 青島 266520)

1 氣壓傳動(dòng)上料機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手具有3個(gè)自由度，利用氣動(dòng)系統(tǒng)完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)和工件的夾緊操作。通過(guò)對(duì)上料機(jī)械手的控制操作將血液檢測(cè)組件的塑料支架、橡膠圈、玻璃片、塑料片放置在檢測(cè)儀的適當(dāng)位置，完成血液檢測(cè)組件的自動(dòng)化裝配[3]。

當(dāng)機(jī)械手工作時(shí)，機(jī)械手手爪夾緊氣缸抓取工件，通過(guò)升降氣缸作用提到所需高度，在伸縮氣缸作用下水平移動(dòng)到所需位置，立柱內(nèi)部的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)所需角度，然后夾緊氣缸放松，物體被放置，最后氣動(dòng)機(jī)械手復(fù)位[4]。

圖1 上料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure of feeding manipulator

設(shè)計(jì)過(guò)程中，整機(jī)的回轉(zhuǎn)、伸縮與提升操作分別由電機(jī)、伸縮氣缸和升降氣缸實(shí)現(xiàn)。整機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與整機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)銷(xiāo)釘固定連接，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使整個(gè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)合適的角度，以完成工件的正確放置。為保證回轉(zhuǎn)精度，采用推力球軸承用于工件連接[5]。伸縮氣缸通過(guò)螺釘與大彎板連接，大彎板則通過(guò)螺釘與轉(zhuǎn)軸固定連接，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)。上料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)械手通過(guò)升降氣缸和夾緊氣缸與手爪連接完成工件的提升和夾緊工作，其中升降氣缸通過(guò)連接桿、轉(zhuǎn)臺(tái)和活塞等連接件來(lái)實(shí)現(xiàn)與手爪的連接[6]。為防止機(jī)械手手臂繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證手爪的正確方向，并使活塞桿不承受較大的彎曲力矩作用，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)采用導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置通過(guò)導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械手夾緊工作除了夾緊氣缸工作外，還依靠手爪和傳力機(jī)構(gòu)的作用。設(shè)計(jì)采用夾持式手部結(jié)構(gòu)和雙爪式機(jī)械手，利用手爪上罩板通過(guò)銷(xiāo)、擋圈彈簧和齒條連接，手爪采用齒弧輪。在氣缸的帶動(dòng)下，齒條與齒弧輪嚙合實(shí)現(xiàn)手爪的開(kāi)閉即工件的取放。氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，手部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 升降氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of lifting cylinder and claw joint

圖3 手部結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Hand

本文設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手最大抓取質(zhì)量約為1 kg，水平方向(定義為X軸)最大移動(dòng)速度為1.2 m·s-1，最大行程為200 mm，豎直方向(定義為Y軸)平均移動(dòng)速度為1 m·s-1，升降行程為160 mm，最小回轉(zhuǎn)速度為1.8(°)·s-1，最大回轉(zhuǎn)速度為120(°)·s-1，手臂回轉(zhuǎn)行程為360°。機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電、氣結(jié)合的方式，氣缸工作順序通過(guò)PLC控制[7]。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的選擇與參數(shù)設(shè)置

2.1 氣缸

2.1.1氣缸內(nèi)徑

取轉(zhuǎn)接3次后的上述培養(yǎng)液1 mL適當(dāng)稀釋后分別涂布于MRS初篩平板和ATB初篩平板上，25℃培養(yǎng)48 h后，以菌落周?chē)型该魅Φ木錇槟康木M(jìn)行挑菌，革蘭氏染色，斜面保存陽(yáng)性菌并進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證及保藏。

缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小,可根據(jù)工作所需力的大小來(lái)確定活塞桿上的推力和拉力從而選擇氣缸[8]。在選擇缸筒內(nèi)徑尺寸時(shí)首先要確認(rèn)使用條件，確定有關(guān)負(fù)載質(zhì)量。負(fù)載包括工件、夾具、導(dǎo)桿等可動(dòng)部分的質(zhì)量。常用的負(fù)載率μ：(1)垂直使用時(shí)，μ=0.5；(2)水平使用時(shí)，μ=1，即實(shí)際輸出力與理論輸出力相等；(3)夾緊、壓入時(shí)，μ=0.7。

1)夾緊氣缸?？紤]到機(jī)械手中夾緊氣缸做夾緊運(yùn)動(dòng)，根據(jù)負(fù)載率選用條件確定夾緊氣缸負(fù)載率為0.7。在抓取血液檢測(cè)組件時(shí)夾緊氣缸的負(fù)載質(zhì)量m約為1 kg，負(fù)載力F=mg=9.8 N,即升降氣缸至少需要輸出9.8 N的力?？紤]到工作需要選定工作氣壓p=0.5 MPa，根據(jù)公式R2=F/(μ·π·p) ，可以得出氣缸直徑D=2R=18.9 mm。但設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,導(dǎo)致選用的氣缸直徑實(shí)際數(shù)值應(yīng)比18.9 mm大一些，結(jié)合氣缸缸徑尺寸系列表最終選定氣缸直徑為25 mm。又因活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，所以對(duì)應(yīng)的活塞桿直徑為6 mm。

2)升降氣缸?？紤]到機(jī)械手的升降氣缸做垂直運(yùn)動(dòng)，選定氣缸負(fù)載率為0.5。機(jī)械手手爪連接件和工件質(zhì)量選定升降氣缸的負(fù)載質(zhì)量約為2 kg，負(fù)載力F=mg=19.6 N,由公式R2=F/(μ·π·p)得出氣缸直徑D=2R=22.3 mm。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,選擇氣缸缸徑為25 mm，根據(jù)活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，因此選擇活塞桿直徑為10 mm。

3)伸縮氣缸。 因升降氣缸為微型氣缸，所以本文設(shè)計(jì)中伸縮氣缸的負(fù)載重量大致與升降氣缸的負(fù)載重量相等，綜合上述對(duì)升降氣缸的設(shè)計(jì)分析可以選擇缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm的伸縮氣缸。 則缸徑為25 mm的氣缸理論輸出力F0=P×A=240.2 N，其中A=π·R2。經(jīng)過(guò)查詢(xún)雙作用氣缸輸出力表可知設(shè)計(jì)符合要求。

2.1.2 氣缸行程

氣缸行程是指氣缸桿從縮回到伸出的最大長(zhǎng)度，它與使用的場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)，在選定氣缸的行程時(shí)首先根據(jù)工作需要確定工作的移動(dòng)距離選擇行程，但一般為了防止活塞和缸蓋相碰選用預(yù)留行程。氣缸的長(zhǎng)度L應(yīng)根據(jù)所需要的行程來(lái)確定，由于夾緊氣缸在上料機(jī)械手中起夾持作用，導(dǎo)桿長(zhǎng)度不需要太長(zhǎng)，所以在本文設(shè)計(jì)中采用SDA25X10的氣缸組件。 升降氣缸和伸縮氣缸根據(jù)工作需要經(jīng)查閱氣缸行程優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)分別選定行程為160 mm和200 mm。

2.1.3 氣缸的系列

本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手要抓取的工件較輕，所以升降氣缸盡量采用較薄型微型氣缸，以減輕伸縮氣缸的負(fù)載質(zhì)量。又因考慮到機(jī)械手機(jī)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和工作需要選擇雙桿氣缸。根據(jù)上文分析可知，升降氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為160 mm的氣缸，伸縮氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為200 mm的氣缸。根據(jù)上述條件，可以選定升降氣缸系列為MAL,即MAL微型氣缸，采用復(fù)動(dòng)型工作方式；伸縮氣缸系列為T(mén)N,即TN系列雙桿氣缸。綜上分析，根據(jù)工作需要和氣缸選擇原則，上料機(jī)械手選擇的夾緊氣缸型號(hào)為SDA25X10，升降氣缸型號(hào)為MAL25X160，伸縮氣缸型號(hào)為T(mén)N25X200。

2.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上可分為3種類(lèi)型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。因混合式步進(jìn)電機(jī)輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步矩角小，所以在此次設(shè)計(jì)中選用混合式步進(jìn)電機(jī)[9]。

2.2.1 步距角

電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求。目前，市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36°/0.72°(五相電機(jī))、0.9°/1.8°(二、四相電機(jī))、1.5°/3°(三相電機(jī))等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇步距角為1.8°，即選擇二相步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 靜力矩

根據(jù)電機(jī)工作時(shí)的負(fù)載選擇靜力矩，機(jī)械手工作時(shí)的負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍，靜力矩一旦選定,電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定。所以

M=M慣+M摩,

(1)

式(1)中：M為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，單位為N·m；M慣為加速啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩，單位為N·m；M摩為恒速運(yùn)行時(shí)的摩擦力矩，M慣=0.3M摩。

(2)

式(2)中：J為負(fù)載慣量，單位為kg·cm3；t為時(shí)間常數(shù)，t=25 ms。又

(3)

式(3)中：ζ為脈沖當(dāng)量；θ為步距角，θ=1.8(°)·s-1；W為轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，單位為kg。

計(jì)算得到此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M=47.67 N·m。為使步進(jìn)電機(jī)正常啟動(dòng)運(yùn)行并滿(mǎn)足電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，啟動(dòng)力矩應(yīng)選為M啟≥2M，又由于步進(jìn)電機(jī)的最大力矩發(fā)生在電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)，即最大力矩等于啟動(dòng)力矩，所以Mmax=M啟=94.34 N·m。綜上計(jì)算分析，選擇型號(hào)為103-771-2241的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

2.3 回轉(zhuǎn)軸

上料機(jī)械手通過(guò)安裝在回轉(zhuǎn)軸上的傳動(dòng)零件完成動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)軸用來(lái)傳遞扭矩而不承受彎矩，傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

(4)

式(4)中：τ為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa；T為傳動(dòng)軸所受的扭矩，單位為N·m；Wr為傳動(dòng)軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r·min-1；P為軸傳遞的功率，單位為kW；d為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；[τ] 為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。計(jì)算可得d=13.26 mm，考慮到端面上開(kāi)有步進(jìn)電機(jī)主軸的安裝孔，所以應(yīng)適當(dāng)增加軸徑來(lái)增加軸的強(qiáng)度，則最終選擇軸徑為15 mm的回轉(zhuǎn)軸。

2.4 軸承

滾動(dòng)軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動(dòng)阻力小，而且標(biāo)準(zhǔn)化程度高，潤(rùn)滑和維護(hù)方便，因此設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用滾動(dòng)軸承。因考慮到在輕載工況下工件質(zhì)量較小，且在機(jī)械手作業(yè)時(shí)只承受單向的軸向載荷，所以最終選擇單向推力球軸承。 設(shè)計(jì)選定回轉(zhuǎn)軸直徑為15 mm，根據(jù)以上軸承的選用規(guī)則，結(jié)合本文機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，選擇型號(hào)為51102的推力球軸承。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

利用ADAMS仿真軟件進(jìn)行血液檢測(cè)組件上料機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真。首先，根據(jù)實(shí)際情況合理定義模型的材料特性，考慮到機(jī)械手在作業(yè)中的剛性和穩(wěn)定性，選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。材料密度為7 800 kg·m-3，楊氏模量為2.07 MPa，泊松比為0.29。然后，添加相鄰部件之間的運(yùn)動(dòng)副：轉(zhuǎn)動(dòng)部位利用轉(zhuǎn)動(dòng)副定義，例如電機(jī)軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的連接；平動(dòng)部位利用移動(dòng)副定義。在分析過(guò)程中部件之間的固定連接則直接采用固定約束定義。最后，利用對(duì)氣缸移動(dòng)副施加驅(qū)動(dòng)的方式模擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況[10]。通過(guò)對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)仿真，可以驗(yàn)證模型零件之間連接的正確性，得到X軸方向機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度大致可分為3個(gè)階段，即加速、勻速和減速階段。對(duì)機(jī)械手水平速度而言，機(jī)械手從0 mm·s-1加速到最大速度的過(guò)程大約用時(shí)0.33 s，且1.2 m·s-1的最高速度與預(yù)期水平方向最大速度相符。通過(guò)仿真得出Y軸方向機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可以看出，在Y軸方向構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度最大為1 000 mm·s-1，與設(shè)計(jì)要求相符。

圖4 X軸方向速度曲線(xiàn)Fig.4 X-axis velocity curve

圖5 Y軸方向速度曲線(xiàn)Fig.5 Y-axis velocity curve

4 結(jié)語(yǔ)

以血液檢測(cè)組件為工作對(duì)象，針對(duì)高速、輕載工作狀態(tài)，利用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了能夠滿(mǎn)足工作需要的具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)和工件夾緊運(yùn)動(dòng)的多自由度兩爪上料機(jī)械手。通過(guò)對(duì)相關(guān)工作部件進(jìn)行了參數(shù)匹配，最后通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析證明了設(shè)計(jì)的可行性，由于參數(shù)匹配時(shí)僅僅考慮到某一具體物件的工作需要，導(dǎo)致此上料機(jī)械手應(yīng)用存在一定的局限性，今后可根據(jù)具體要求通過(guò)合理更換電機(jī)和氣缸，并適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行距離和頻率，以滿(mǎn)足不同工作需求，促進(jìn)氣動(dòng)機(jī)械手在多個(gè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。