投本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件分析

閆云東　楚翼　蔣歡歡

摘要：將流水線上末端送來(lái)的書(shū)芯等轉(zhuǎn)移到圓盤(pán)包本機(jī)，這是目前一般印刷廠的工藝流程中存在的人工作業(yè)環(huán)節(jié)之一。向圓盤(pán)包本機(jī)投放書(shū)芯的高頻作業(yè)易使工人產(chǎn)生疲勞并可能出現(xiàn)投本反向、錯(cuò)位等問(wèn)題，造成生產(chǎn)成本的上升。頻繁的重復(fù)操作正是自動(dòng)機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的工位，現(xiàn)在應(yīng)用三維建模以及軟件仿真驗(yàn)證來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)工作成為主流設(shè)計(jì)方法?；诖耍瑢?duì)投本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件分析進(jìn)行研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)機(jī)械臂;設(shè)計(jì);分析

引言

一般而言，工程機(jī)械臂是多輸入輸出、高非線性、強(qiáng)耦合的多體系統(tǒng)。機(jī)械臂基于自身動(dòng)力完成多種作業(yè)需求，可用于裝備制造、焊接檢測(cè)、重型裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在礦山機(jī)械、智慧交通、航空航天、軍工制造等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模大、自動(dòng)化程度高，工程機(jī)械在整個(gè)生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。機(jī)械臂是各種工程機(jī)械設(shè)施的主要組成部件之一，其動(dòng)力學(xué)特性決定了工程機(jī)械整機(jī)的性能發(fā)揮。工程機(jī)械臂作業(yè)工況在一般情形下較為惡劣，所受載荷復(fù)雜。因此，為保證機(jī)械臂可靠運(yùn)行、安全作業(yè)并提高工作效率，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為必要。

1應(yīng)用環(huán)境及要求簡(jiǎn)述

通常情況下廠房干凈平整，待裝書(shū)芯經(jīng)傳送帶放置于置物架上，工人將書(shū)芯投放到圓盤(pán)包本機(jī)夾口內(nèi)完成包本工作。以中小型印刷廠普遍使用的包本機(jī)工作要求為例，機(jī)械臂的主要任務(wù)是將A4尺寸書(shū)芯（厚度約10～20mm）從置物架夾取并轉(zhuǎn)移到期望位置。設(shè)書(shū)芯抓取架高度約900mm，置物架、包本機(jī)和人三者之間的布局?？紤]設(shè)計(jì)對(duì)象具備足夠的強(qiáng)度、剛度以免在反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)失載、共振現(xiàn)象;根據(jù)空間情況機(jī)械臂結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，體積適當(dāng);對(duì)驅(qū)動(dòng)源、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)進(jìn)行計(jì)算校核。

2設(shè)計(jì)分析

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，參考同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，憑借一定理論判斷以選定設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行校核計(jì)算。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致工作量大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、效率低下等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)日益成熟，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)，在CAD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)是目前主流的發(fā)展方向之一。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指將模型中的約束信息變量化，使之成為可以調(diào)整的參數(shù)，給變量化參數(shù)賦以不同數(shù)值，就可以得到不同大小和不同形狀的零件模型，這種設(shè)計(jì)方法效率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，對(duì)形狀或功能相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。用戶在設(shè)計(jì)輪廓時(shí)無(wú)需準(zhǔn)確定位和定形，只需勾畫(huà)出大致輪廓，然后通過(guò)修改標(biāo)注的尺寸值以達(dá)到最終形狀，或者只需將鄰近的關(guān)鍵部分定義為幾個(gè)參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)在機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅極大地提高了設(shè)計(jì)和繪圖效率，而且體現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值。

3機(jī)械臂組成

由6組模組滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)，6個(gè)松下伺服電機(jī)獨(dú)立控制各個(gè)模組滑臺(tái)，各個(gè)滑臺(tái)和桿之間通過(guò)緊定螺釘固連.電機(jī)型號(hào)為MSMF012L1V2M，即額定功率為100W、額定轉(zhuǎn)矩為0.32N·m的低慣量伺服電機(jī)，并帶有23位分辨率的絕對(duì)式編碼器，以及松下的B系列EtherCAT（基于以太網(wǎng)的自動(dòng)控制技術(shù)）總線式驅(qū)動(dòng)器.模組滑臺(tái)的指標(biāo).電機(jī)速度模式為梯形速度曲線，如圖4所示的時(shí)間t與速度v的關(guān)系曲線.其中：vm為最大速度;t為加減速時(shí)間;t為勻速時(shí)間.由表3和圖4可知，電機(jī)加速到最大速度時(shí)間為t=500/500=1s，則圖4中加減速段用時(shí)為2s，距離為500mm，勻速段時(shí)間t=0.2s，勻速距離為100mm，即機(jī)械的性能設(shè)計(jì)上，滑臺(tái)模組在額定工況下最少需要2t+t=2.2s的時(shí)間可以使單模組從一端運(yùn)動(dòng)到另一端，對(duì)應(yīng)著連續(xù)體機(jī)械臂從一種極限姿態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種極限姿態(tài)，這是因?yàn)橐詸C(jī)械驅(qū)動(dòng)作為系統(tǒng)的輸入時(shí)，可以把系統(tǒng)看作是6個(gè)滑臺(tái)在模組上的位置到機(jī)械臂末端在工作空間中的位姿的映射，因而把機(jī)械臂的極限姿態(tài)映射到滑臺(tái)模組上時(shí)即部分滑塊在模組的極限位置的狀態(tài).上述機(jī)械驅(qū)動(dòng)效率能夠充分發(fā)揮機(jī)械臂本體在抓取作業(yè)時(shí)的工作效率，后文的實(shí)驗(yàn)將會(huì)給出具體數(shù)據(jù)。

4設(shè)計(jì)方案三維建模及虛擬裝配

可將上述設(shè)計(jì)方案通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行各部位零件的建模并進(jìn)行整機(jī)的虛擬裝配，例如使用SolidWorks軟件完成實(shí)體建模，特點(diǎn)是直觀且真實(shí)，對(duì)模型的質(zhì)量、尺寸、坐標(biāo)位置等可直接反映出來(lái)，通過(guò)修改參變量方式可方便地進(jìn)行分析和改進(jìn)。在本設(shè)計(jì)中使用該軟件進(jìn)行建模時(shí)將依據(jù)所選擇的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、零部件完成各個(gè)部分的建模，之后進(jìn)行各部位零件的配合，最終進(jìn)行虛擬裝配完成整機(jī)的模型建立。在整機(jī)配合中應(yīng)當(dāng)遵循自下而上的設(shè)計(jì)順序，先將單個(gè)零件組成子體，完成如底座、夾持器等各部分，從固定底座開(kāi)始依次向上進(jìn)行虛擬裝配，并通過(guò)如配合等操作命令進(jìn)行約束配合，最終可使裝配好的虛擬樣機(jī)各部位定位精準(zhǔn)。此外，使用該軟件還可對(duì)機(jī)械臂的干涉現(xiàn)象進(jìn)行檢查，可快速找到干涉對(duì)象方便修改，縮短設(shè)計(jì)周期。

結(jié)束語(yǔ)

在輕物品智能抓取、與環(huán)境安全交互、狹小空間靈活作業(yè)，尤其是在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域等應(yīng)用場(chǎng)合，連續(xù)體機(jī)器臂展現(xiàn)的特性相比于傳統(tǒng)剛性機(jī)器臂的特性具有更好的綜合表現(xiàn)，這些特性主要包括工作空間（主要是指包括旋轉(zhuǎn)和平移在內(nèi)的六自由度空間）、定位精度、手臂的剛性與載荷、體積尺寸、求解和作業(yè)效率、成本等方面.由于與應(yīng)用場(chǎng)景的需求更為匹配，近年來(lái)，連續(xù)體機(jī)器臂不僅成為這些領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，還展現(xiàn)了充足的市場(chǎng)潛力。本文主要介紹連續(xù)體機(jī)器臂的設(shè)計(jì)以及組成，由并聯(lián)設(shè)計(jì)方案三維建模及虛擬裝配機(jī)器臂。

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