一種碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其計(jì)算

王 躍

（營口鍛壓機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115000）

如圖1 所示為一淺拉伸零件。為研究該零件生產(chǎn)線中碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)選用，需要根據(jù)其生產(chǎn)工藝，確定生產(chǎn)線碼垛工藝，最后對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。

圖1 零件圖

該零件直徑?620mm，厚度1mm，零件重量m=2.3kg。零件外形看似簡單，但其整體結(jié)構(gòu)比較特殊：①零件存在鏤空，而用戶對零件的潔凈度要求較高。若使用吸盤則易給零件留下痕跡，因此無法使用吸盤；②碼垛數(shù)量及高度：4 垛2×2，碼垛高度800mm；③碼垛速度8 件/min，碼垛速度需要與生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度匹配，或者匹配碼垛工位之前設(shè)備的加工速度。

設(shè)計(jì)過程可參考如下步驟進(jìn)行。

1 根據(jù)零件尺寸進(jìn)行碼垛方案布置

根據(jù)該零件尺寸，考慮生產(chǎn)線布置以及工位大小，碼垛擬采用2×2 形式。碼垛布置圖如圖2 所示。

圖2 碼垛布置圖

2 碼垛軌跡分析

2.1 動作一

機(jī)械手向下運(yùn)動至工件，抓取后返回至起始高度，如圖3 所示。

圖3 碼垛方案圖

設(shè)計(jì)行程A=150mm，由于此段距離過短，可以按照勻加速運(yùn)動后即刻勻減速運(yùn)動。運(yùn)動過程參數(shù)如表1 所示。

表1 動作一運(yùn)動數(shù)據(jù)

機(jī)械手開始返回至起始高度的同時可向前做水平運(yùn)動，存在時間重疊，因此機(jī)械手返程用時可不計(jì)。

此動作合計(jì)用時T1=1.724s。

2.2 動作二

機(jī)械手向前運(yùn)動至1、2 垛位。

設(shè)計(jì)行程B=1600mm。首先做勻加速運(yùn)動，再做勻速運(yùn)動，最后做減速運(yùn)動。運(yùn)動過程參數(shù)如表2 所示。

表2 動作二運(yùn)動數(shù)據(jù)

在做減速運(yùn)動的同時，機(jī)械手向下運(yùn)動，開始進(jìn)行工件碼垛，同樣存在時間重疊，減速時間可不計(jì)。此動作合計(jì)用時T2=4s。

2.3 動作三

機(jī)械手向下運(yùn)動，進(jìn)行碼垛，完成碼垛后機(jī)械手返回至初始高度。運(yùn)動過程參數(shù)如表3 所示。

表3 動作三運(yùn)動數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)行程C=950mm（最大）。機(jī)械手首先進(jìn)行勻加速運(yùn)動，之后做勻速運(yùn)動，最后做勻減速運(yùn)動，完成碼垛后開始返回至最高點(diǎn)。同樣先勻加速再勻速，最后勻減速。在勻減速同時機(jī)械手開始水平向后運(yùn)動，存在時間重疊，因此在減速階段用時不計(jì)。此動作合計(jì)用時T3=6.25s。

2.4 動作四

機(jī)械手水平向后運(yùn)動，返回至初始位置。

設(shè)計(jì)行程B=1600mm。運(yùn)動軌跡同樣分為加速、勻速、減速三個階段。運(yùn)動過程參數(shù)如表4 所示。

表4 動作四運(yùn)動數(shù)據(jù)

此動作合計(jì)用時T4=4.082s。

經(jīng)過上述四個階段，機(jī)械手完成1、2 垛位的碼垛，返回至初始位置。

然后，機(jī)械手開始3、4 垛位碼垛。此過程重復(fù)動作一～動作四，但與1、2 垛位不同之處在于水平運(yùn)動二、四的行程為D=850mm，即勻速運(yùn)動時間不同。經(jīng)過計(jì)算，此段往返時間分別為：T5=2.125s，T6=2.552s。

完成1、2、3、4 四個垛位碼垛的時間合計(jì)為：

T總=（T1+T3）×2+T2+T4+T5+T6=28.71（s）。

根據(jù)設(shè)計(jì)速度要求8 件/min，即：

T總＜30s。

由于時間分配均是按照最長行程進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著垛堆高度的增高，后續(xù)每次碼垛所用時間將會逐漸縮短。則設(shè)計(jì)時間完全可以滿足碼垛速度的要求。

3 設(shè)計(jì)零件抓取機(jī)構(gòu)

由于此設(shè)備機(jī)械手為非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)思路比較開放，可參考類似的抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行參考對比，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合。根據(jù)案例中零件的尺寸及特性，抓取機(jī)構(gòu)采用圖4 所示方案。

圖4 機(jī)械手方案

抓取機(jī)構(gòu)的驅(qū)動可采購標(biāo)準(zhǔn)氣缸。由于零件重量較輕，氣缸內(nèi)徑選用?32 即可，同時可減小連接機(jī)構(gòu)的尺寸，減輕抓取機(jī)構(gòu)的重量，降低對電機(jī)的性能要求。氣缸行程盡量采用標(biāo)準(zhǔn)行程，便于采購及更換維護(hù)。

圖中，驅(qū)動氣缸推動導(dǎo)向桿及聯(lián)動架經(jīng)過連桿機(jī)構(gòu)使三個抓取鉤張開。當(dāng)氣缸回退時聯(lián)動架上移，使三個抓取鉤收攏，完成零件抓取。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用方孔導(dǎo)向，避免聯(lián)動架產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，聯(lián)動架應(yīng)配有限位螺栓，便于調(diào)整收攏尺寸。各連桿長度可根據(jù)氣缸行程，利用SolidWorks 或者其他三維軟件進(jìn)行建模模擬，調(diào)整各連桿長度以適應(yīng)工件尺寸。

機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)使用頻率很高，連桿連接處可采購標(biāo)準(zhǔn)的自潤滑軸承，減小零件磨損，延長使用壽命。

4 設(shè)備豎直方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

豎直方向的傳動方式可采用齒輪齒條傳動方式，安裝齒條的主體立柱可以選購標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋁型材，如圖5 所示。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可采用兩根單軸芯直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向（對稱布置），這種直線導(dǎo)軌經(jīng)常被用于火焰切割機(jī)，導(dǎo)軌不受速度限制。同時可配合相應(yīng)的V 型槽軸承，這種軸承有同心軸承和偏心軸承兩種形式，用同心軸承進(jìn)行定位，利用偏心軸承對導(dǎo)軌間隙進(jìn)行調(diào)整。導(dǎo)軌和V 型軸承的采購價格也比較經(jīng)濟(jì)，便于更換維護(hù)。完全可以滿足低精度碼垛設(shè)備的使用要求。

圖5 豎直方向傳動圖

設(shè)備水平方向的導(dǎo)向也可以采用這種導(dǎo)向方式。

機(jī)械手一次應(yīng)抓取兩個工件，因此需要配備兩套抓取機(jī)構(gòu)。兩套機(jī)械手可用水平橫梁進(jìn)行連接，水平橫梁同樣采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材，兩者之間可以用相應(yīng)的鋁型材附件進(jìn)行連接，既可以減輕機(jī)械機(jī)構(gòu)的重量，也可以降低生產(chǎn)成本，并且具有良好的外觀。如圖6 所示。

圖6 機(jī)械手布局圖

水平橫梁的長度可根據(jù)碼垛布局圖的尺寸進(jìn)行確定（圖3），兩套抓取機(jī)構(gòu)的中心距離應(yīng)該保證750mm。

豎直立柱的長度，齒條長度，以及導(dǎo)軌的長度，需要根據(jù)碼垛高度的尺寸以及機(jī)械手的外形尺寸展開設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足運(yùn)動行程大于950mm。

完成豎直方向的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要利用SolidWorks 或者其他三維軟件對運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重量進(jìn)行核算。

外購件重量需要與供應(yīng)商進(jìn)行溝通確認(rèn)。同時還要考慮豎直方向上的電子檢測原件的重量以及標(biāo)準(zhǔn)螺栓的重量。最后加上碼垛零件的重量，核算完畢后合計(jì)為M，該重量為電機(jī)及減速機(jī)的選擇提供計(jì)算依據(jù)。經(jīng)過核算立柱部件總質(zhì)量54.85kg（考慮到導(dǎo)軌摩擦等因素影響，選擇電機(jī)時會將重量乘以一個保險(xiǎn)系數(shù)，取k=1.1～1.2）。最終得M=63kg。

5 設(shè)備豎直方向電機(jī)及減速機(jī)選擇

如圖7 所示，根據(jù)公式：F-Mg=Ma（a：加速度），出于電機(jī)扭矩的考慮，往往需要配合標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)減速機(jī)，在獲得加大的輸出扭矩的同時也可以提高整體剛度。這里可以選擇傳動比i=10 的減速機(jī)，效率η減=0.97。

圖7 齒輪受力圖

豎直方向勻速階段V=0.4m/s，此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60V*i/（2π*R）=1274r/min。

結(jié)合機(jī)械手運(yùn)動軌跡分析，機(jī)械手在完成動作三的過程中的“向下運(yùn)動的減速階段”以及“向上運(yùn)動的加速階段”均要求加速度方向向上，即F＞Mg。

在做時間分配時，設(shè)計(jì)這兩個階段加速度大小相同，由于加速向上階段機(jī)械手已經(jīng)完成零件碼垛，此時負(fù)載重量較小，則機(jī)械手在“向下運(yùn)動的減速階段”負(fù)載扭矩達(dá)到最大值（電機(jī)轉(zhuǎn)速1274r/min）。

齒輪齒條的傳動效率一般在0.94～0.98 之間，可以取中間值η齒=0.96。

T負(fù)=（Mg+Ma）*R=19.7N·m

要求電機(jī)及減速機(jī)滿足以下條件：

T*i*η齒*η減＞T負(fù)

且T減＞T負(fù)

式中：T減為減速機(jī)額定輸出扭矩。

代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到（n=1274r/min）：

T＞2.12（N·m）

電機(jī)可以考慮選用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在價格上具有一定優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是高速階段扭矩會大幅衰減，這需要參考電機(jī)扭矩曲線，如圖8 所示，并且保證較大的安全系數(shù)。

圖8 電機(jī)扭矩曲線

實(shí)例中采用的是86 型步進(jìn)電機(jī)，并且?guī)в兄苿友b置。從扭矩曲線中得到電機(jī)轉(zhuǎn)速在1300r/min 時對應(yīng)輸出扭矩T=6.2N·m，安全系數(shù)=6.2/2.12=2.95。減速機(jī)可選AF90（i=10）型，減速機(jī)參數(shù)見表5，安全系數(shù)=104/19.7=5.3。均滿足使用要求。

表5 減速機(jī)參數(shù)表

這里需要記錄下電機(jī)和減速機(jī)的重量，這些數(shù)據(jù)將計(jì)入水平負(fù)載中。查詢樣冊得知：M（電+減）=7.5kg。

6 設(shè)備水平方向電機(jī)及減速機(jī)選擇

從圖9 中可以看出，水平方向的負(fù)載重量比豎直負(fù)載多出電機(jī)和減速機(jī)重量M（電+減），電機(jī)連接架，8 個V 型軸承以及若干連接螺栓，經(jīng)過重新計(jì)算得到水平負(fù)載重量M水=89（kg）。

圖9 水平方向傳動圖

水平方向可以使用兩個直徑相同的同步帶輪進(jìn)行傳動，一側(cè)與電機(jī)連接作為固定端，另一側(cè)進(jìn)行張緊。在電機(jī)滑板背面與同步帶連接，傳動效率可取η帶=0.98。

案例中采用節(jié)距p=12.7 的H 型同步帶輪，齒數(shù)28 齒。直徑可以按照D=110mm 計(jì)算。

減速機(jī)傳動比i=5。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)水平退回階段的加速度最大，此時：

水平速度

V=0.49m/s

電機(jī)轉(zhuǎn)速

n=60V*i/（π*D）=426r/min

水平方向的摩擦力

f=M水*g*μ（μ=0.12）

同步帶拉力

F=（M水*a）+f

代入數(shù)據(jù)計(jì)算同步帶拉力的扭矩

T拉=M水*（g*μ+a）*D/2=8.82（N·m）

同樣

T*i*η帶*η減＞T拉

T減＞T拉

代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到：

T＞1.86（N·m）（n=426r/min）

在扭矩曲線中得到電機(jī)轉(zhuǎn)速在426r/min 時對應(yīng)的輸出扭矩T=6.2N·m。

安全系數(shù)=6.2/1.86=3.33。減速機(jī)可選AF90（i=5）型，安全系數(shù)=130/8.82=14.74，均滿足使用要求。

考慮到采購方便、設(shè)備通用性以及產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng)，豎直和水平方向選用相同型號的電機(jī)。

7 小結(jié)

本文案例對非標(biāo)碼垛機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行了簡單說明梳理。在設(shè)計(jì)過程中可以將計(jì)算過程用Excel 進(jìn)行編程，便于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)整，提高設(shè)計(jì)效率。此案例可為相關(guān)從業(yè)人員提供設(shè)計(jì)參考。