活塞取放機械手結構設計和運動分析

摘 要：本文主要進行了多自由度活塞取放機械手的結構設計和運動分析。結構設計方面：設計了機械手的整體結構；根據(jù)設計要求和負載，進行了各部件尺寸計算選型；連接強度校核等。運動分析方面：進行了機械手動作方案設計；分析各關節(jié)之間的傳動關系，證明了整個運動設計的合理性和可靠性。

關鍵詞：活塞；取放機械手；結構設計；運動分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.066

1 活塞取放機械手結構設計

1.1 整體結構設計

所設計的裝置為地面固定式多自由度活塞取放機械手，圓柱坐標機械手為地面固定式機械手。由機身、水平伸縮臂和手部結構組成，機身垂直固定在底座上，可上下升降以及繞Z軸擺動，水平手臂固定在垂直機身上，工作區(qū)間為一圓柱。該結構形式機械手性能穩(wěn)定，確保產(chǎn)品質量穩(wěn)定廣泛用于沖床上下料，鑄造取放，搬運等常見的工業(yè)生產(chǎn)領域。

1.2 機械手的整體構型

活塞取放機械手選用圓柱坐標結構，由機身、水平伸縮臂和手部三大機構組成。機身安裝在地面或底座上，由回轉缸和升降缸組成，升降缸位于回轉缸上方，帶動手臂上下運動和繞機身轉動。伸縮臂安裝在升降平臺上方，驅動部件為單活塞雙作用液壓缸，兩側布有導向裝置，推動手部到達指定位置。腕部為一夾緊缸，本文將其放在手部中計算。手部由手爪和固定裝置組成，通過夾緊缸驅動，用于夾持工件。

1.3 手臂結構設計

活塞取放機械手臂部采用懸伸梁結構，導向桿采用無縫鋼管手臂在升降和回轉運動的啟動和停止瞬間，運動是變化的。這就要求設計的運動不引起沖擊和振動。為達到這一要求，手臂動作應靈活，避免出現(xiàn)因傳動件布置不合理導致的“卡死”現(xiàn)象。

伸縮裝置采用的是雙作用單活塞液壓缸，手臂依靠兩個對稱布置導向桿承受彎曲力，手臂液壓缸布置在中間，這樣就避免了液壓缸因受彎矩作用而運動阻力增大。

伸縮缸和導向桿均安裝在支撐座上，導向桿分布在伸縮缸兩側，為防止導向桿在運動的過程中發(fā)生彎曲，導向桿在導向管內移動，提高了導向桿的剛性。此外，導向桿帶動伸縮桿移動，兩者用夾套固定。在運動的過程中，導向桿承受由手臂伸出端重力帶來的彎曲作用，這樣就使得伸縮缸不承受彎矩，運動平穩(wěn)。

2 多自由度活塞取放機械手運動分析

2.1 手部機構運動分析

采用solidworks motion進行手部機構運動分析，手部結構左右鉗爪對稱布置，推桿為驅動桿件，靠夾緊缸驅動，在滑槽中左右運動，只有一個移動自由度；連桿分別與推桿和手指鉸接；手指通過回轉銷安裝在固定支座上。

2.2 建立運動學方程

將構件1、2、3用矢量表示，建立直角坐標系，如圖1所示。

在矢量多邊形OABC中，各矢量之和等于0，得：

（1）

分別將OA、AB、BC、CE的長度用表示，設OC與x軸的夾角為。

已知： ，，，，，

，推桿速度。

2.3 運動仿真

（1）點擊“結果與圖解”按鈕，分別選擇位移、速度和加速度。以時間為橫坐標，E的位移、速度或加速度為縱坐標。選擇坐標系的Y軸方向為推桿的軸向，方向與運動方向相反。

（2）生成速度和加速度圖解，如圖2，圖3所示。

2.4 結果分析

（1）從速度曲線圖可以看出，速度方向改變一次，先反方向增大，后先增大后減小，最大運動速度為3mm/s。在0.8s時，當位移達到最大值時，速度在正方向上也達到最大值，t=2s時，運動結束，速度為0。

（2）從加速度曲線可以看出，加速度方向改變一次，加速度先增大后減小，在t=0.4s時，加速度達到最大值，從這可以看出，速度最大的點加速度并不是最大；啟動和制動時曲線存在突變，這說明機構起動與停止時的沖擊很大，因此，在設計過程中，啟動或制動時的運動規(guī)律可設置為正弦曲線運動規(guī)律或多項式運動曲線。

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作者簡介：張大鑫（1998-），男，山東梁山人，本科在讀，研究方向： 機械設計制造及其自動化。