機床機械手結構設計與仿真

王 雷，金林根，劉志虎，林鵬雄，方向華

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

工業(yè)機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置.實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平.因此，機械手在機械行業(yè)中得到了越來越廣泛的研究和應用［1-7］.因此，對機械手的相關結構設計及控制的研究具有重要的意義.本文設計的液壓驅(qū)動機床機械手主要與數(shù)控車床(加工中心、數(shù)控銑床等)組合成自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程(上料、加工、下料)的自動化、無人化.

1 機械手結構方案設計

1.1 機械手技術參數(shù)

1)設計技術參數(shù)

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

2)手臂運動參數(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)動方式:液壓驅(qū)動;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T形桿的伸縮使手指張開和閉合，實現(xiàn)放松和夾緊，之后由另一個液壓缸驅(qū)動擺動套筒使整個機械手在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工件的上下料.此機械手具有一個自由度，為工件在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn).方案1的結構如圖1所示.

圖1 機械手方案1

1.3 方案2的確定

此機械手具有兩個自由度，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個液壓缸(灰色的液壓缸)液壓缸驅(qū)動，使其張開和閉合，實現(xiàn)放松和夾緊.工件的伸縮由第2個液壓缸(紫色的液壓缸)驅(qū)動手臂伸縮實現(xiàn).工件在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)由第3個液壓缸(黃色的液壓缸)實現(xiàn)，黑色的為基座.方案2的結構如圖2所示.

圖2 機械手方案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)結構不緊湊，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，對材料要求高;4)對手臂的剛度要求高;5)效率相對方案2較低.所以方案2為最佳選擇.

2 機械手機械結構設計

2.1 機械手機械結構的設計與計算

2.1.1 手部結構設計

手部是機械手直接抓取和緊握工件的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端.機械手的結構形式不像人手，它的手指沒有形狀，只有自身的運動將工件抓住，因此手部結構形式必須根據(jù)它的使用場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計相應的結構.

本次設計中所夾持的工件形狀為圓柱形，因此采用夾鉗式手指.它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤、套類零件，并可自動定心［9］.一般情況下，夾鉗式手部多采用兩個手指.手指尾部采用滑槽杠桿式傳力機構，其主要原因在于，在對手部進行受力分析時較其他形式的傳力機構簡單.當滑槽內(nèi)的銷釘沿直線運動時，手指可繞轉(zhuǎn)動副回轉(zhuǎn)實現(xiàn)夾緊和放松.手部結構如圖3和圖4所示.

2.1.2 手部夾緊力計算

手部夾緊力FN可按下式進行計算:

(1)式中，k1為安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定，通常取1.2～2.0，這里取1.5;k2為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，k2=1+a/g.a為運載工件時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，取0.9～1.1;G為被夾持工件所受重力.

圖3 手部結構平面圖

圖4 手部結構三維圖

經(jīng)代入相關參數(shù)計算得:

2.1.3 手指驅(qū)動力的計算

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

圖5 手指夾持工件時的受力分析圖

(2)式中，a為手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離(mm);α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角.F為第一液壓缸所受的負載.

將FN代入(2)式得:

當驅(qū)動力F一定時，α角增大，則握力FN也隨之增加，但α角過大會導致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使結構加大，因此建議 α 取30°～ 40°.在本次設計中，α =38.5°，取值合理.

考慮手爪的機械效率，取η=0.95，所以實際負載為

2.2 機械手臂部的設計及實現(xiàn)

機械手臂部是機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，并帶動它們在空間運動.當手臂旋轉(zhuǎn)時改變工件在豎直平面內(nèi)的方位;當手臂伸縮時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、靜載荷，而且自身運動又較多，故其受力復雜.因而，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能.

為提高剛度，應盡可能縮短臂桿的懸伸長度.在本次設計中為了增加臂部的剛度，在臂部設計了兩個吊耳，如圖6所示，由驅(qū)動手臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸活塞桿支承.此活塞桿既可驅(qū)動手臂旋轉(zhuǎn)，又增加了臂部的剛性，一舉兩得.

為實現(xiàn)工件的伸縮運動，設置滑塊在手臂內(nèi)滑動，手指安裝在滑塊上的方式，如圖2(b)所示.藍色的是機械手臂，綠色的是滑塊.滑塊由圖2(b)中的紫色液壓缸驅(qū)動再通過活塞桿驅(qū)動使其運動.手臂和滑塊的結構分別如圖7和圖8所示.

圖6 手臂結構

圖7 手臂結構

圖8 滑塊結構

3 機械手液壓系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

機械手的伸縮、擺動和手指的夾緊松開均由液壓缸來實現(xiàn).本文設計的機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——手指的放松——手臂的縮回——加工等待——手臂伸長——手 指 夾 緊——手 臂 縮 回——手 臂 下擺——手指放松.其動作流程如圖9所示.

圖9 機械手的動作流程

3.1 液壓缸的設計

以手指夾緊液壓缸的設計為例進行計算.

先對液壓缸內(nèi)徑進行計算.要計算液壓缸的內(nèi)徑，則必須先知道液壓缸的驅(qū)動力，及工作壓力p1.

設液壓缸驅(qū)動力為F驅(qū)，液壓缸所受負載F由前面計算得F=140 N.

根據(jù)液壓缸運動時所受負載、背壓、慣性力及密封處的摩擦力等幾個方面的阻力來計算液壓缸的驅(qū)動力F驅(qū).

F驅(qū)的計算公式如下［10］:

(3)式中，F(xiàn)密為總驅(qū)動力的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負載=F=140 N.所以有

液壓缸效率的計算:

(4)式中，η為液壓缸總效率;ηm為液壓缸機械效率，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:

則實際驅(qū)動力:

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.

把上述計算的值代入(5)式并參考相關資料取整得到: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的位移.根據(jù)計算結果并合理選取可得到第一液壓缸活塞行程S1=28 mm，夾緊液壓缸缸筒長度L1=95 mm，及活塞桿長度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計尺寸為: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.伸縮液壓缸缸筒長度L2=100 mm，活塞桿長度l2=143 mm.

手臂擺動液壓缸的設計尺寸為: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.擺動缸缸筒長度L3=185 mm，活塞桿長l3=181 mm.并對各個活塞桿的強度進行校核，均滿足要求.

3.2 液壓系統(tǒng)仿真建模

利用FluidSim軟件建立實現(xiàn)本機床機械手動作的液壓系統(tǒng)原理，如圖10所示.

圖10 液壓系統(tǒng)原理圖

當機械手處于初始位置時，各液壓缸的狀態(tài)如圖10所示.當機械手下降時，3YA接通，伸縮液壓缸活塞桿伸出;當手指夾緊時6YA接通，手指夾緊液壓缸回縮;當手臂縮回時，4YA接通，伸縮液壓缸活塞桿縮回;當手臂向上擺動時，1YA接通，擺動液壓缸的活塞桿縮回;當手臂水平伸長時，4YA接通;當機械手水平，手指放松時5YA接通;當手臂向下擺動時，2YA接通，擺動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)液壓缸的運動速度，通過液壓系統(tǒng)仿真可以直觀地看出這一結果，說明設計結果的正確性和可行性.

4 結論

本文設計了一種液壓驅(qū)動的機床機械手，分析比較了兩種設計方案并選擇較為合理的一種.在此基礎上，通過詳細分析與計算，完成了該機械手的結構設計，并利用Solidworks軟件建立了該機床機械手的三維模型.最后，利用FluidSim軟件建立實現(xiàn)所設計機床機械手動作的液壓系統(tǒng)原理.通過仿真模擬應用這種機床自動上料機械手的功能，可以縮短產(chǎn)品的加工時間，提高勞動生產(chǎn)率.因此，這對實際的生產(chǎn)應用具有一定的參考價值.

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