具有過載保護(hù)功能的小型機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳育明

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院， 福建 泉州 362000)

現(xiàn)代工業(yè)中機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛，各類型機(jī)械手在勞動密集型、無太高技術(shù)要求的崗位上已逐步取代人力。小型機(jī)械手因其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動靈活、適用廣泛，在各個領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置。2015年4月，南京技師學(xué)院開始面向全國進(jìn)行首批“工業(yè)機(jī)器人專業(yè)”招生，此后國內(nèi)越來越多的高職院校陸續(xù)開辦了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)。因此，設(shè)計(jì)一臺貼近生產(chǎn)實(shí)際的小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺，用于學(xué)生實(shí)訓(xùn)、練習(xí)和競賽很有必要。本文對小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)，提出一款具有過載保護(hù)功能的新型夾持機(jī)構(gòu)，并基于Solidwork軟件對該設(shè)計(jì)進(jìn)行三維實(shí)體建模，試圖為后續(xù)研究提供仿真樣機(jī)。

1 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)分析

小型機(jī)械手是微小型機(jī)器人的重要組成部分，用于擴(kuò)大微小型機(jī)器人的活動空間，是微小型機(jī)器人完成預(yù)定動作的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。小型機(jī)械手可基于五自由度手臂設(shè)計(jì)，用動力裝置驅(qū)動其各構(gòu)件及末端執(zhí)行裝置的動作。文獻(xiàn)[1]中針對生產(chǎn)實(shí)際的需要設(shè)計(jì)了一款帶有過載保護(hù)的、獨(dú)特的末端執(zhí)行裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1.1 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的組成

在教學(xué)及生產(chǎn)實(shí)際中，根據(jù)工件或產(chǎn)品夾持及搬移的需要，小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺應(yīng)夾持有力、可靠，同時(shí)不允許損壞工件或產(chǎn)品，裝夾定位要準(zhǔn)確且精度要高。此外，小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺應(yīng)安裝在中小型移動平臺上，以實(shí)現(xiàn)操作空間的擴(kuò)展[2]。

圖1所示小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的基本組成為：底座、大臂、連桿、中臂、小臂、手腕及末端夾持裝置[3]?？紤]到小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺必須適應(yīng)各種不同工位，且應(yīng)具備抓取及放置靈活、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，為了保證機(jī)械手能夠到達(dá)前后左右不同區(qū)域的各個工位，大臂相對于底座應(yīng)能夠完全回轉(zhuǎn)；為便于夾取可能處于高低不同工位的工件，中臂應(yīng)通過連桿與大臂以轉(zhuǎn)動副連接；考慮到要夾持的工件有可能擺放不平整或外立面未必豎直，小臂與中臂應(yīng)通過轉(zhuǎn)動副進(jìn)行連接[4]。

圖1 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的基本組成

1.2 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的自由度

小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的外觀尺寸為500 mm×150 mm×300 mm，有效伸長約為450 mm。除末端夾持機(jī)構(gòu)外，小型機(jī)械手由5個轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，共5個自由度。大臂相對底座可繞Z軸做360°回轉(zhuǎn)，小臂相對于中臂也可做360°回轉(zhuǎn)，大臂與連桿間的相對轉(zhuǎn)角不超過90°，連桿與小臂之間的相對轉(zhuǎn)角不超過135°，末端夾持裝置的張角最大不超過180°，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副及末端夾持裝置的開閉機(jī)構(gòu)均由動力裝置驅(qū)動[5]。

2 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1及上文所述實(shí)訓(xùn)平臺的機(jī)構(gòu)尺寸要求，可采用Solidwork軟件對小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺各部件進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行綜合裝配及運(yùn)動學(xué)仿真。所設(shè)計(jì)小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的三維模型如圖2所示。

圖2 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的三維模型

(1) 對小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺各轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動裝置進(jìn)行選擇?？紤]到電機(jī)的體積小、噪聲低、控制便利、運(yùn)行精度高、綜合性能好，且機(jī)械手各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩不大，可選擇電機(jī)作為小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的動力裝置。

(2) 對材料進(jìn)行選擇。為了保證機(jī)械手在使用及行走過程中有足夠的穩(wěn)定性，小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的底座應(yīng)選用密度較大的鋼材，必要時(shí)可加配重；機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的手臂及連桿則選用強(qiáng)度高、密度較小的鋁或鋁合金材料。

(3) 確定底座行走方式。設(shè)計(jì)之初通?？紤]履帶和滾輪兩種行走方式。由于滾輪后期的維護(hù)與更換容易，并且小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺基本上都安裝在環(huán)境條件較好的實(shí)訓(xùn)室內(nèi)，因此可采用滾輪行走方式[6]。

2.2 手臂及關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

(1) 手臂及關(guān)節(jié)是小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺完成執(zhí)行動作的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)上要確保機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活、更換方便、重心位置合理，且要與驅(qū)動電機(jī)配合良好。手臂的設(shè)計(jì)可采用雙側(cè)夾板與其他構(gòu)件連接的方式(見圖3)。

圖3 手臂模型

(2) 在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面，因各構(gòu)件之間為轉(zhuǎn)動副，考慮到機(jī)構(gòu)的平衡及其重心的穩(wěn)定性，應(yīng)合理配置電機(jī)位置。對于大臂與底座之間的關(guān)節(jié)，可將大臂的驅(qū)動電機(jī)設(shè)置于底座上大臂兩側(cè)的夾板之間(見圖4)；對于小臂關(guān)節(jié)，電機(jī)設(shè)置于小臂末端且可直接驅(qū)動小臂回轉(zhuǎn)的位置較合理(見圖5)[7]。

圖4 大臂與底座關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型

圖5 小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型

2.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)有多種形式，常見的有吸附型、夾持型和托持型。對于夾持型而言，由于被夾持工件的形狀、大小、耐夾持能力不盡相同，因此夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。此外，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較特殊，既要保證夾緊可靠又不能夾傷工件。常見的夾持裝置需要根據(jù)被夾持工件的大小及形狀來設(shè)計(jì)手爪形狀，并配合設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器，以便將力覺信號反饋至單片機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持力度[1]。本文設(shè)計(jì)的過載保護(hù)裝置(見圖6)可通過單純機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過載保護(hù)。

圖6 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺夾持機(jī)構(gòu)的過載保護(hù)裝置

該過載保護(hù)裝置通過一個驅(qū)動電機(jī)帶動摩擦輪轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生與齒輪孔內(nèi)側(cè)表面的摩擦力，帶動齒輪回轉(zhuǎn)，在齒輪的嚙合作用下實(shí)現(xiàn)夾緊功能。當(dāng)夾緊力超過許用值時(shí)，摩擦輪與齒輪孔內(nèi)壁之間打滑而實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)，夾持力不再上升，由此保護(hù)被夾持工件。該夾持機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)和制造容易，成本低廉，可實(shí)現(xiàn)一定尺寸范圍的工件夾持。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，利用Solidwork軟件，可建立小型機(jī)械手過載保護(hù)裝置模型(見圖7)[8]。

圖7 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺夾持機(jī)構(gòu)的過載保護(hù)裝置模型

2.3.2 機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

當(dāng)夾持力在1 000 N以下時(shí)，假定摩擦輪起驅(qū)動作用，摩擦輪的外表面與齒輪孔的內(nèi)表面之間為靜態(tài)摩擦；一旦夾持力大于1 000 N，摩擦輪的外表面與齒輪孔的內(nèi)表面之間因過載就開始打滑，二者之間的摩擦力為動態(tài)摩擦力。該摩擦力的大小由過盈配合的表面接觸壓力和摩擦系數(shù)確定[9]。

過盈配合的表面接觸壓力為：

(1)

設(shè)計(jì)要求規(guī)定：p·f≤50 N

(2)

式中，f為45鋼的摩擦系數(shù)，取0.15。

可計(jì)算出：δ≤0.017 5 mm，即平均過盈量不超過0.017 5 mm。

3 小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)仿真分析

對該小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，采用Solidwork軟件進(jìn)行三維建模，可對其主要構(gòu)件(包括大臂、小臂、手腕及夾持裝置)的關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。該小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺的大臂、小臂、手腕及夾持裝置的運(yùn)動加速度仿真曲線分別見圖8、圖9、圖10和圖11[10]。

仿真結(jié)果表明，該小型機(jī)械手在工作過程中加速度曲線平緩、數(shù)值較小、無劇烈振動現(xiàn)象。因此，所設(shè)計(jì)具有過載保護(hù)功能的小型機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖8 大臂X及Y方向的加速度曲線

圖9 小臂X及Y方向的加速度曲線

圖10 手腕X及Y方向的加速度曲線

圖11 夾持裝置X及Y方向的加速度曲線

4 結(jié) 語

機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)及高校教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)計(jì)一款實(shí)用、簡單、合理且穩(wěn)定性良好的機(jī)械手具有實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的具有過載保護(hù)功能的小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件布局合理。目前該過載保護(hù)裝置已獲實(shí)用新型專利授權(quán)。該小型機(jī)械手實(shí)訓(xùn)平臺經(jīng)Solidwork軟件建模及運(yùn)動仿真，運(yùn)行效果良好。