王 雷，金林根，劉志虎，林鵬雄，方向華

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.吳江博眾精工科技有限公司，江蘇 吳江 215028;3.蕪湖博耐爾汽車(chē)電氣系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

工業(yè)機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置.實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平.因此，機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用［1-7］.因此，對(duì)機(jī)械手的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制的研究具有重要的意義.本文設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)床機(jī)械手主要與數(shù)控車(chē)床(加工中心、數(shù)控銑床等)組合成自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程(上料、加工、下料)的自動(dòng)化、無(wú)人化.

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)

1)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

a)抓重:5 kg;b)自由度數(shù):2;c)工件最大半徑:80 mm;d)手臂夾持工件時(shí)的最大長(zhǎng)度:529 mm.

2)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)

a)夾緊行程:27 mm，夾緊速度:0.054 m/s;b)伸縮行程:60 mm，伸縮速度:0.06 m/s;c)旋轉(zhuǎn)范圍:0°～90°，旋轉(zhuǎn)速度:45°/s;d)手指夾持范圍:60～80 mm;e)緩沖方式:液壓緩沖;f)驅(qū)動(dòng)方式:液壓驅(qū)動(dòng);g)控制方式:PLC程序控制.

1.2 方案1的確定

采用連桿杠桿式手部，直接夾持部分采用夾鉗式，由液壓缸驅(qū)動(dòng)T形桿的伸縮使手指張開(kāi)和閉合，實(shí)現(xiàn)放松和夾緊，之后由另一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)套筒使整個(gè)機(jī)械手在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件的上下料.此機(jī)械手具有一個(gè)自由度，為工件在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn).方案1的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 機(jī)械手方案1

1.3 方案2的確定

此機(jī)械手具有兩個(gè)自由度，分別為工件的水平伸縮和在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn).它采用的是夾鉗式手部.與方案1一樣，手指由第1個(gè)液壓缸(灰色的液壓缸)液壓缸驅(qū)動(dòng)，使其張開(kāi)和閉合，實(shí)現(xiàn)放松和夾緊.工件的伸縮由第2個(gè)液壓缸(紫色的液壓缸)驅(qū)動(dòng)手臂伸縮實(shí)現(xiàn).工件在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)由第3個(gè)液壓缸(黃色的液壓缸)實(shí)現(xiàn)，黑色的為基座.方案2的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 機(jī)械手方案2

1.4 方案的選擇

比較以上兩方案可知方案1存在以下不足:1)結(jié)構(gòu)不緊湊，所需空間大;2)連桿的受力分析困難;3)旋轉(zhuǎn)套筒所受扭矩大，對(duì)材料要求高;4)對(duì)手臂的剛度要求高;5)效率相對(duì)方案2較低.所以方案2為最佳選擇.

2 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手部是機(jī)械手直接抓取和緊握工件的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式不像人手，它的手指沒(méi)有形狀，只有自身的運(yùn)動(dòng)將工件抓住，因此手部結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾緊工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)以及抓取部位的不同而設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu).

本次設(shè)計(jì)中所夾持的工件形狀為圓柱形，因此采用夾鉗式手指.它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤(pán)、套類(lèi)零件，并可自動(dòng)定心［9］.一般情況下，夾鉗式手部多采用兩個(gè)手指.手指尾部采用滑槽杠桿式傳力機(jī)構(gòu)，其主要原因在于，在對(duì)手部進(jìn)行受力分析時(shí)較其他形式的傳力機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單.當(dāng)滑槽內(nèi)的銷(xiāo)釘沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指可繞轉(zhuǎn)動(dòng)副回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾緊和放松.手部結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示.

2.1.2 手部夾緊力計(jì)算

手部夾緊力FN可按下式進(jìn)行計(jì)算:

(1)式中，k1為安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定，通常取1.2～2.0，這里取1.5;k2為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，k2=1+a/g.a為運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，g為重力加速度;k3為方位系數(shù)，手指豎直，工件水平放置時(shí)，取0.9～1.1;G為被夾持工件所受重力.

圖3 手部結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 手部結(jié)構(gòu)三維圖

經(jīng)代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得:

2.1.3 手指驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

圖3為手指夾持工件時(shí)的示意圖.如圖5所示，先由手指受力分析圖得出手指驅(qū)動(dòng)力和手指夾緊力之間的關(guān)系.

圖5 手指夾持工件時(shí)的受力分析圖

(2)式中，a為手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線的距離(mm);α為工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角.F為第一液壓缸所受的負(fù)載.

將FN代入(2)式得:

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，α角增大，則握力FN也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使結(jié)構(gòu)加大，因此建議 α 取30°～ 40°.在本次設(shè)計(jì)中，α =38.5°，取值合理.

考慮手爪的機(jī)械效率，取η=0.95，所以實(shí)際負(fù)載為

2.2 機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手臂部是機(jī)械手的主要握持部件.它的作用是支承手部(包括工件)、滑塊及液壓缸，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng).當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)改變工件在豎直平面內(nèi)的方位;當(dāng)手臂伸縮時(shí)改變工件在豎直平面或水平面內(nèi)的方位.手臂在工作中既直接承受手部、工件及液壓缸的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故其受力復(fù)雜.因而，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能.

為提高剛度，應(yīng)盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度.在本次設(shè)計(jì)中為了增加臂部的剛度，在臂部設(shè)計(jì)了兩個(gè)吊耳，如圖6所示，由驅(qū)動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸活塞桿支承.此活塞桿既可驅(qū)動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)，又增加了臂部的剛性，一舉兩得.

為實(shí)現(xiàn)工件的伸縮運(yùn)動(dòng)，設(shè)置滑塊在手臂內(nèi)滑動(dòng)，手指安裝在滑塊上的方式，如圖2(b)所示.藍(lán)色的是機(jī)械手臂，綠色的是滑塊.滑塊由圖2(b)中的紫色液壓缸驅(qū)動(dòng)再通過(guò)活塞桿驅(qū)動(dòng)使其運(yùn)動(dòng).手臂和滑塊的結(jié)構(gòu)分別如圖7和圖8所示.

圖6 手臂結(jié)構(gòu)

圖7 手臂結(jié)構(gòu)

圖8 滑塊結(jié)構(gòu)

3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手的伸縮、擺動(dòng)和手指的夾緊松開(kāi)均由液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn).本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手所滿足的功能為:手臂的下降——手指的夾緊——手臂的上升——手臂的上擺——手臂的伸長(zhǎng)——手指的放松——手臂的縮回——加工等待——手臂伸長(zhǎng)——手 指 夾 緊——手 臂 縮 回——手 臂 下擺——手指放松.其動(dòng)作流程如圖9所示.

圖9 機(jī)械手的動(dòng)作流程

3.1 液壓缸的設(shè)計(jì)

以手指夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行計(jì)算.

先對(duì)液壓缸內(nèi)徑進(jìn)行計(jì)算.要計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑，則必須先知道液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，及工作壓力p1.

設(shè)液壓缸驅(qū)動(dòng)力為F驅(qū)，液壓缸所受負(fù)載F由前面計(jì)算得F=140 N.

根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所受負(fù)載、背壓、慣性力及密封處的摩擦力等幾個(gè)方面的阻力來(lái)計(jì)算液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F驅(qū).

F驅(qū)的計(jì)算公式如下［10］:

(3)式中，F(xiàn)密為總驅(qū)動(dòng)力的0.03倍;F慣為手指的慣性力很小，可省略;F回為回油壓力，可忽略;F負(fù)載=F=140 N.所以有

液壓缸效率的計(jì)算:

(4)式中，η為液壓缸總效率;ηm為液壓缸機(jī)械效率，一般取0.85～0.95;ηv為液壓缸容積效率，近似等于1;ηd為液壓缸作用力效率，近似等于1.

所以有:

則實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:

由F=152 N＜5 000 N，所以取工作壓力p=0.8 MP.

液壓缸內(nèi)徑D1計(jì)算公式為

(5)式中，d1為活塞桿的直徑，一般取液壓缸內(nèi)徑D1的0.5～1倍.

把上述計(jì)算的值代入(5)式并參考相關(guān)資料取整得到:D1=20 mm，d1=10 mm.

另外是夾緊液壓缸行程的確定.夾緊液壓缸的行程即為手指夾緊和放松時(shí)的位移.根據(jù)計(jì)算結(jié)果并合理選取可得到第一液壓缸活塞行程S1=28 mm，夾緊液壓缸缸筒長(zhǎng)度L1=95 mm，及活塞桿長(zhǎng)度l1=120 mm.為方便加工制造，取壁厚δ1=2 mm，則液壓缸外徑D1'=D1+2δ1=24 mm.

同理，可以求得手臂伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)尺寸為:D2=20 mm，活塞桿直徑d2=0.5D2=10 mm，取壁厚δ2=2 mm，則外徑D2'=D2+2δ2=24 mm.伸縮液壓缸缸筒長(zhǎng)度L2=100 mm，活塞桿長(zhǎng)度l2=143 mm.

手臂擺動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)尺寸為:D3=32 mm，則活塞桿直徑d=16 mm.取壁厚δ3=2 mm，則外徑 D3'=D3+2δ3=36 mm.擺動(dòng)缸缸筒長(zhǎng)度L3=185 mm，活塞桿長(zhǎng)l3=181 mm.并對(duì)各個(gè)活塞桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核，均滿足要求.

3.2 液壓系統(tǒng)仿真建模

利用FluidSim軟件建立實(shí)現(xiàn)本機(jī)床機(jī)械手動(dòng)作的液壓系統(tǒng)原理，如圖10所示.

圖10 液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)機(jī)械手處于初始位置時(shí)，各液壓缸的狀態(tài)如圖10所示.當(dāng)機(jī)械手下降時(shí)，3YA接通，伸縮液壓缸活塞桿伸出;當(dāng)手指夾緊時(shí)6YA接通，手指夾緊液壓缸回縮;當(dāng)手臂縮回時(shí)，4YA接通，伸縮液壓缸活塞桿縮回;當(dāng)手臂向上擺動(dòng)時(shí)，1YA接通，擺動(dòng)液壓缸的活塞桿縮回;當(dāng)手臂水平伸長(zhǎng)時(shí)，4YA接通;當(dāng)機(jī)械手水平，手指放松時(shí)5YA接通;當(dāng)手臂向下擺動(dòng)時(shí)，2YA接通，擺動(dòng)液壓缸的活塞桿伸出.調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)速閥或者節(jié)流閥均可以調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)液壓系統(tǒng)仿真可以直觀地看出這一結(jié)果，說(shuō)明設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性和可行性.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)床機(jī)械手，分析比較了兩種設(shè)計(jì)方案并選擇較為合理的一種.在此基礎(chǔ)上，通過(guò)詳細(xì)分析與計(jì)算，完成了該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Solidworks軟件建立了該機(jī)床機(jī)械手的三維模型.最后，利用FluidSim軟件建立實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)機(jī)床機(jī)械手動(dòng)作的液壓系統(tǒng)原理.通過(guò)仿真模擬應(yīng)用這種機(jī)床自動(dòng)上料機(jī)械手的功能，可以縮短產(chǎn)品的加工時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率.因此，這對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

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