杜慧林,高志彬,劉志紅

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院，山東 青島 266520)

1 氣壓傳動(dòng)上料機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手具有3個(gè)自由度，利用氣動(dòng)系統(tǒng)完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)和工件的夾緊操作。通過對(duì)上料機(jī)械手的控制操作將血液檢測(cè)組件的塑料支架、橡膠圈、玻璃片、塑料片放置在檢測(cè)儀的適當(dāng)位置，完成血液檢測(cè)組件的自動(dòng)化裝配[3]。

當(dāng)機(jī)械手工作時(shí)，機(jī)械手手爪夾緊氣缸抓取工件，通過升降氣缸作用提到所需高度，在伸縮氣缸作用下水平移動(dòng)到所需位置，立柱內(nèi)部的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)所需角度，然后夾緊氣缸放松，物體被放置，最后氣動(dòng)機(jī)械手復(fù)位[4]。

圖1 上料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure of feeding manipulator

設(shè)計(jì)過程中，整機(jī)的回轉(zhuǎn)、伸縮與提升操作分別由電機(jī)、伸縮氣缸和升降氣缸實(shí)現(xiàn)。整機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與整機(jī)轉(zhuǎn)軸通過銷釘固定連接，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使整個(gè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)合適的角度，以完成工件的正確放置。為保證回轉(zhuǎn)精度，采用推力球軸承用于工件連接[5]。伸縮氣缸通過螺釘與大彎板連接，大彎板則通過螺釘與轉(zhuǎn)軸固定連接，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)。上料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)械手通過升降氣缸和夾緊氣缸與手爪連接完成工件的提升和夾緊工作，其中升降氣缸通過連接桿、轉(zhuǎn)臺(tái)和活塞等連接件來實(shí)現(xiàn)與手爪的連接[6]。為防止機(jī)械手手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，保證手爪的正確方向，并使活塞桿不承受較大的彎曲力矩作用，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)采用導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置通過導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械手夾緊工作除了夾緊氣缸工作外，還依靠手爪和傳力機(jī)構(gòu)的作用。設(shè)計(jì)采用夾持式手部結(jié)構(gòu)和雙爪式機(jī)械手，利用手爪上罩板通過銷、擋圈彈簧和齒條連接，手爪采用齒弧輪。在氣缸的帶動(dòng)下，齒條與齒弧輪嚙合實(shí)現(xiàn)手爪的開閉即工件的取放。氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，手部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 升降氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of lifting cylinder and claw joint

圖3 手部結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Hand

本文設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手最大抓取質(zhì)量約為1 kg，水平方向(定義為X軸)最大移動(dòng)速度為1.2 m·s-1，最大行程為200 mm，豎直方向(定義為Y軸)平均移動(dòng)速度為1 m·s-1，升降行程為160 mm，最小回轉(zhuǎn)速度為1.8(°)·s-1，最大回轉(zhuǎn)速度為120(°)·s-1，手臂回轉(zhuǎn)行程為360°。機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電、氣結(jié)合的方式，氣缸工作順序通過PLC控制[7]。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的選擇與參數(shù)設(shè)置

2.1 氣缸

2.1.1氣缸內(nèi)徑

取轉(zhuǎn)接3次后的上述培養(yǎng)液1 mL適當(dāng)稀釋后分別涂布于MRS初篩平板和ATB初篩平板上，25℃培養(yǎng)48 h后，以菌落周圍有透明圈的菌落為目的菌進(jìn)行挑菌，革蘭氏染色，斜面保存陽(yáng)性菌并進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證及保藏。

缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小,可根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力從而選擇氣缸[8]。在選擇缸筒內(nèi)徑尺寸時(shí)首先要確認(rèn)使用條件，確定有關(guān)負(fù)載質(zhì)量。負(fù)載包括工件、夾具、導(dǎo)桿等可動(dòng)部分的質(zhì)量。常用的負(fù)載率μ：(1)垂直使用時(shí)，μ=0.5；(2)水平使用時(shí)，μ=1，即實(shí)際輸出力與理論輸出力相等；(3)夾緊、壓入時(shí)，μ=0.7。

1)夾緊氣缸?？紤]到機(jī)械手中夾緊氣缸做夾緊運(yùn)動(dòng)，根據(jù)負(fù)載率選用條件確定夾緊氣缸負(fù)載率為0.7。在抓取血液檢測(cè)組件時(shí)夾緊氣缸的負(fù)載質(zhì)量m約為1 kg，負(fù)載力F=mg=9.8 N,即升降氣缸至少需要輸出9.8 N的力?？紤]到工作需要選定工作氣壓p=0.5 MPa，根據(jù)公式R2=F/(μ·π·p) ，可以得出氣缸直徑D=2R=18.9 mm。但設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,導(dǎo)致選用的氣缸直徑實(shí)際數(shù)值應(yīng)比18.9 mm大一些，結(jié)合氣缸缸徑尺寸系列表最終選定氣缸直徑為25 mm。又因活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，所以對(duì)應(yīng)的活塞桿直徑為6 mm。

2)升降氣缸。考慮到機(jī)械手的升降氣缸做垂直運(yùn)動(dòng)，選定氣缸負(fù)載率為0.5。機(jī)械手手爪連接件和工件質(zhì)量選定升降氣缸的負(fù)載質(zhì)量約為2 kg，負(fù)載力F=mg=19.6 N,由公式R2=F/(μ·π·p)得出氣缸直徑D=2R=22.3 mm。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,選擇氣缸缸徑為25 mm，根據(jù)活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，因此選擇活塞桿直徑為10 mm。

3)伸縮氣缸。 因升降氣缸為微型氣缸，所以本文設(shè)計(jì)中伸縮氣缸的負(fù)載重量大致與升降氣缸的負(fù)載重量相等，綜合上述對(duì)升降氣缸的設(shè)計(jì)分析可以選擇缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm的伸縮氣缸。 則缸徑為25 mm的氣缸理論輸出力F0=P×A=240.2 N，其中A=π·R2。經(jīng)過查詢雙作用氣缸輸出力表可知設(shè)計(jì)符合要求。

2.1.2 氣缸行程

氣缸行程是指氣缸桿從縮回到伸出的最大長(zhǎng)度，它與使用的場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)，在選定氣缸的行程時(shí)首先根據(jù)工作需要確定工作的移動(dòng)距離選擇行程，但一般為了防止活塞和缸蓋相碰選用預(yù)留行程。氣缸的長(zhǎng)度L應(yīng)根據(jù)所需要的行程來確定，由于夾緊氣缸在上料機(jī)械手中起夾持作用，導(dǎo)桿長(zhǎng)度不需要太長(zhǎng)，所以在本文設(shè)計(jì)中采用SDA25X10的氣缸組件。 升降氣缸和伸縮氣缸根據(jù)工作需要經(jīng)查閱氣缸行程優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)分別選定行程為160 mm和200 mm。

2.1.3 氣缸的系列

本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手要抓取的工件較輕，所以升降氣缸盡量采用較薄型微型氣缸，以減輕伸縮氣缸的負(fù)載質(zhì)量。又因考慮到機(jī)械手機(jī)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和工作需要選擇雙桿氣缸。根據(jù)上文分析可知，升降氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為160 mm的氣缸，伸縮氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為200 mm的氣缸。根據(jù)上述條件，可以選定升降氣缸系列為MAL,即MAL微型氣缸，采用復(fù)動(dòng)型工作方式；伸縮氣缸系列為TN,即TN系列雙桿氣缸。綜上分析，根據(jù)工作需要和氣缸選擇原則，上料機(jī)械手選擇的夾緊氣缸型號(hào)為SDA25X10，升降氣缸型號(hào)為MAL25X160，伸縮氣缸型號(hào)為TN25X200。

2.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上可分為3種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。因混合式步進(jìn)電機(jī)輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步矩角小，所以在此次設(shè)計(jì)中選用混合式步進(jìn)電機(jī)[9]。

2.2.1 步距角

電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求。目前，市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36°/0.72°(五相電機(jī))、0.9°/1.8°(二、四相電機(jī))、1.5°/3°(三相電機(jī))等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇步距角為1.8°，即選擇二相步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 靜力矩

根據(jù)電機(jī)工作時(shí)的負(fù)載選擇靜力矩，機(jī)械手工作時(shí)的負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍，靜力矩一旦選定,電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定。所以

M=M慣+M摩,

(1)

式(1)中：M為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，單位為N·m；M慣為加速啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩，單位為N·m；M摩為恒速運(yùn)行時(shí)的摩擦力矩，M慣=0.3M摩。

(2)

式(2)中：J為負(fù)載慣量，單位為kg·cm3；t為時(shí)間常數(shù)，t=25 ms。又

(3)

式(3)中：ζ為脈沖當(dāng)量；θ為步距角，θ=1.8(°)·s-1；W為轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，單位為kg。

計(jì)算得到此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M=47.67 N·m。為使步進(jìn)電機(jī)正常啟動(dòng)運(yùn)行并滿足電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，啟動(dòng)力矩應(yīng)選為M啟≥2M，又由于步進(jìn)電機(jī)的最大力矩發(fā)生在電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)，即最大力矩等于啟動(dòng)力矩，所以Mmax=M啟=94.34 N·m。綜上計(jì)算分析，選擇型號(hào)為103-771-2241的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

2.3 回轉(zhuǎn)軸

上料機(jī)械手通過安裝在回轉(zhuǎn)軸上的傳動(dòng)零件完成動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)軸用來傳遞扭矩而不承受彎矩，傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

(4)

式(4)中：τ為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa；T為傳動(dòng)軸所受的扭矩，單位為N·m；Wr為傳動(dòng)軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r·min-1；P為軸傳遞的功率，單位為kW；d為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；[τ] 為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。計(jì)算可得d=13.26 mm，考慮到端面上開有步進(jìn)電機(jī)主軸的安裝孔，所以應(yīng)適當(dāng)增加軸徑來增加軸的強(qiáng)度，則最終選擇軸徑為15 mm的回轉(zhuǎn)軸。

2.4 軸承

滾動(dòng)軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動(dòng)阻力小，而且標(biāo)準(zhǔn)化程度高，潤(rùn)滑和維護(hù)方便，因此設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用滾動(dòng)軸承。因考慮到在輕載工況下工件質(zhì)量較小，且在機(jī)械手作業(yè)時(shí)只承受單向的軸向載荷，所以最終選擇單向推力球軸承。 設(shè)計(jì)選定回轉(zhuǎn)軸直徑為15 mm，根據(jù)以上軸承的選用規(guī)則，結(jié)合本文機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，選擇型號(hào)為51102的推力球軸承。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

利用ADAMS仿真軟件進(jìn)行血液檢測(cè)組件上料機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真。首先，根據(jù)實(shí)際情況合理定義模型的材料特性，考慮到機(jī)械手在作業(yè)中的剛性和穩(wěn)定性，選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。材料密度為7 800 kg·m-3，楊氏模量為2.07 MPa，泊松比為0.29。然后，添加相鄰部件之間的運(yùn)動(dòng)副：轉(zhuǎn)動(dòng)部位利用轉(zhuǎn)動(dòng)副定義，例如電機(jī)軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的連接；平動(dòng)部位利用移動(dòng)副定義。在分析過程中部件之間的固定連接則直接采用固定約束定義。最后，利用對(duì)氣缸移動(dòng)副施加驅(qū)動(dòng)的方式模擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況[10]。通過對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)仿真，可以驗(yàn)證模型零件之間連接的正確性，得到X軸方向機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖4所示。由圖4可以看出，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度大致可分為3個(gè)階段，即加速、勻速和減速階段。對(duì)機(jī)械手水平速度而言，機(jī)械手從0 mm·s-1加速到最大速度的過程大約用時(shí)0.33 s，且1.2 m·s-1的最高速度與預(yù)期水平方向最大速度相符。通過仿真得出Y軸方向機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在Y軸方向構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度最大為1 000 mm·s-1，與設(shè)計(jì)要求相符。

圖4 X軸方向速度曲線Fig.4 X-axis velocity curve

圖5 Y軸方向速度曲線Fig.5 Y-axis velocity curve

4 結(jié)語

以血液檢測(cè)組件為工作對(duì)象，針對(duì)高速、輕載工作狀態(tài)，利用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了能夠滿足工作需要的具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)和工件夾緊運(yùn)動(dòng)的多自由度兩爪上料機(jī)械手。通過對(duì)相關(guān)工作部件進(jìn)行了參數(shù)匹配，最后通過動(dòng)力學(xué)仿真分析證明了設(shè)計(jì)的可行性，由于參數(shù)匹配時(shí)僅僅考慮到某一具體物件的工作需要，導(dǎo)致此上料機(jī)械手應(yīng)用存在一定的局限性，今后可根據(jù)具體要求通過合理更換電機(jī)和氣缸，并適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行距離和頻率，以滿足不同工作需求，促進(jìn)氣動(dòng)機(jī)械手在多個(gè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。