多自由度液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)

李春雪 李環(huán)宇 謝文慶 宋子博

摘要： 機(jī)械手的應(yīng)用具有三點(diǎn)重要意義。第一點(diǎn)：可以有效的提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。同時(shí)可以提高生產(chǎn)效率并降低勞動(dòng)成本。第二點(diǎn)：可以避免工人在惡劣的環(huán)境下工作，像輻射、有害氣體、高溫等環(huán)境下交給機(jī)手來(lái)完成，大大提高了工人的安全性。同時(shí)可避免因操作疲勞而造成的安全問(wèn)題。第三點(diǎn)：可以將較繁重的工作交給機(jī)械手來(lái)完成，工人向更具有技術(shù)要求的機(jī)械手維修、調(diào)教等工作轉(zhuǎn)型。加速工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程。

Abstract： The application of the manipulator has three important meanings. The first point： can effectively improve the degree of automation of the production process. At the same time， it can improve production efficiency and reduce labor costs. The second point： It can prevent workers from working in harsh environments， such as radiation， harmful gases， high temperature and other environments， to be completed by the operator， which greatly improves the safety of workers. At the same time， safety problems caused by fatigue of operation can be avoided. The third point： You can hand over the heavier work to the manipulator to complete， and the workers will transform to more technically demanding manipulator maintenance， adjustment and other tasks. Speed up the process of industrial automation.

關(guān)鍵詞： 液壓式機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度校核

Key words： hydraulic manipulator;structural design;strength check

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0082-02

0? 引言

對(duì)某型5軸數(shù)控銑床和車(chē)床結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了研究，以此為基礎(chǔ)，提出液壓式上料機(jī)械手的功能要求，并對(duì)比一般液壓式上料機(jī)械手，完善了其功能，然后對(duì)總體進(jìn)行設(shè)計(jì)。將液壓式上料機(jī)械手整體劃分為四個(gè)主要部分：抓緊裝置、回轉(zhuǎn)裝置、伸縮裝置、旋轉(zhuǎn)裝置。在研究過(guò)程中，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了各部分的主要尺寸、細(xì)節(jié)和材料。通過(guò)力學(xué)分析所設(shè)計(jì)的液壓式上料機(jī)械手的強(qiáng)度和應(yīng)變并進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證其可靠性。

1? 手部設(shè)計(jì)

在進(jìn)行液壓式上料機(jī)械手的外形尺寸和選擇材料之前，需要對(duì)液壓式上料機(jī)械手需滿(mǎn)足的要求進(jìn)行分析，然后再根據(jù)這一些要求得出液壓式上料機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)。本章的內(nèi)容為液壓式上料機(jī)械手的關(guān)鍵點(diǎn)分析和功能性分析開(kāi)始，決定液壓式上料機(jī)械手作用，再根據(jù)液壓式上料機(jī)械手的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，最后總結(jié)出液壓式上料機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)。液壓式上料機(jī)械手是針對(duì)該上下毛坯料設(shè)計(jì)的專(zhuān)用設(shè)備，其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能也應(yīng)該是根據(jù)該毛坯料的相關(guān)參數(shù)來(lái)確定。第一個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是毛坯料的尺寸。需要抓取的工件外形尺寸長(zhǎng)度為，工件估算工外形尺寸為46.5×46.5×400mm，工件材料為鉛，密度為11340

kg/m3，質(zhì)量約有10kg。抓手需要在抓緊時(shí)兩指間距離不得大于46.5mm，并需要足夠大的抓緊力來(lái)抓取工件，使其在液壓式上料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生劃落，如圖1所示為手部抓緊狀態(tài)。但抓緊力又不適合過(guò)大，過(guò)大會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生劃傷。同時(shí)液壓式上料機(jī)械手在張開(kāi)狀態(tài)下張開(kāi)的角度要足夠大，兩指之間開(kāi)合距離要大于工件高度，并不與數(shù)控銑床或數(shù)控車(chē)床產(chǎn)生干涉。第二個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就是盡可能的減小抓手的重量和體積，抓手處于腕部的最前端，機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)手部必須緊抓工件，由于機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)狀態(tài)變化很多，所以手部結(jié)構(gòu)需簡(jiǎn)單，并且質(zhì)量不易過(guò)重。

1.1 受力分析? 根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，繪制如圖2受力分析草圖。

夾緊力計(jì)算：為了保證機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)工程中保持工件的穩(wěn)定性，所以必須對(duì)工件進(jìn)行受力分析，在夾緊工件的過(guò)程中，工件主要受兩個(gè)力，一個(gè)是在靜止過(guò)程中因重力產(chǎn)生的靜載荷，另一個(gè)是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中工件及機(jī)械手產(chǎn)生的動(dòng)載荷。根據(jù)分析可得：

其中：K——安全系數(shù)，這里取2;

a——手指的中心距，這里取23mm;

b——手指長(zhǎng)度，這里取70mm;

PX——軸向力;

μ——手指與工件之間的摩擦系數(shù)，這里取0.3。

1.2 驅(qū)動(dòng)液壓缸設(shè)計(jì)? 區(qū)分機(jī)械手的方法有很多，本文將使用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓驅(qū)動(dòng)具有四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，第一點(diǎn)：安裝空間要求不受?chē)?yán)格的控制，能構(gòu)成其他驅(qū)動(dòng)方式難以組成的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。第二點(diǎn)：液壓驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)較為平順均勻。第三點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和過(guò)載保護(hù)。第四點(diǎn)：液壓所使用的元器件，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，不必花費(fèi)過(guò)高的定制元器件的費(fèi)用，有利于降低整體成本。根據(jù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力FP需大于830N才能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持工件不滑落。故由液壓缸負(fù)載工作壓力，選取工作壓力為0.4MPa。

如圖3所示：當(dāng)液壓上料機(jī)械手需要加緊工件時(shí)，需向手部的左腔進(jìn)行注油。需要張開(kāi)放開(kāi)工件時(shí)，需向右腔進(jìn)行注油。

1.2.1 計(jì)算左腔推力：推力=π×（缸徑÷2）2×液壓壓強(qiáng)得

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，缸內(nèi)徑取50mm，則活塞缸d取28mm。

通常情況下液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比不大于，所以它的壁厚可以根據(jù)薄壁筒公式，按照液壓前度來(lái)計(jì)算，壁厚不得小于1.3mm，但由于缸體需連接手部及工件，故壁厚取取5mm，則缸筒外徑為：60mm。

1.2.2 手部右腔流量：液壓缸的流量=液壓缸活塞橫截面×速度

S——液壓缸活塞橫截面;

V——速度，這里取60mm/s;

ηm——機(jī)械效率取：0.85～0.9，這里取0.85;

ηv——容積效率?。?.7～0.95，這里取0.85。

手部工作壓強(qiáng)：

2? 腕部設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵點(diǎn)分析? 回轉(zhuǎn)裝置主要是連接手部和伸縮裝置的部件，它的作用是更加方便對(duì)工件進(jìn)行不同方向，不同角度的進(jìn)行夾取或放置，也是液壓上料機(jī)械手的重要組成。

第一個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于回轉(zhuǎn)的角度，要控制在±90°，角度不能過(guò)小，如果過(guò)小對(duì)零件的夾取和放置是十分不利的，在設(shè)計(jì)之初就要考慮到這個(gè)問(wèn)題。

第二個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于回轉(zhuǎn)時(shí)要確?；剞D(zhuǎn)的平穩(wěn)性，對(duì)于液壓上料機(jī)械手來(lái)說(shuō)平穩(wěn)性至關(guān)重要，如果回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一些抖動(dòng)，工件很有可能會(huì)從機(jī)械手中滑脫，對(duì)于工件來(lái)說(shuō)是致命的，如果滑脫工件會(huì)由于磕碰產(chǎn)生凹坑或者產(chǎn)生表面磨損，甚至報(bào)廢。

2.2 腕部設(shè)計(jì)原理及計(jì)算? 腕部的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)作用，第一個(gè)作用就是完成手部的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，利于不同角度的夾取工件。第二個(gè)就是連接手臂與手部，能更好的將回轉(zhuǎn)動(dòng)作和伸縮動(dòng)作結(jié)合到一起。

腕部動(dòng)作十分靈敏，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性也不是特別大。

回轉(zhuǎn)角度需達(dá)到±90°

角速度要求W=45°/s

用負(fù)荷的最高值計(jì)算：

當(dāng)夾持的物體運(yùn)動(dòng)到水平的時(shí)候，那么擺動(dòng)缸的工件扭矩值也達(dá)到了最高。

2.2.1 計(jì)算工件矩M

手部材料密度約等于鋼的密度7860kg/m3，根據(jù)CATIA軟件估算它的質(zhì)量約為7kg。

2.2.2 估算油缸及配件的重量來(lái)計(jì)算扭矩M2

回轉(zhuǎn)油缸密度約等于鋼的密度7860kg/m3，根據(jù)CATIA軟件估算它的質(zhì)量約為10kg，如圖4回轉(zhuǎn)缸質(zhì)量估算。

F=10kg，L=200mm

得M2=F×L=10×9.8×0.2=19.6（N·m）

3? 結(jié)論

此機(jī)械手具有精度高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。它能在非常惡劣的環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作，有著廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)一些繁重、單調(diào)的工作都可以交給機(jī)械手來(lái)完成，安全性也得到了有效的保證。

參考文獻(xiàn)：

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