拖拉機(jī)曲軸生產(chǎn)線清洗機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)

張洪山+張福學(xué)

摘要：闡述了拖拉機(jī)曲軸生產(chǎn)線用清洗機(jī)械手研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)的目的、方案構(gòu)思、輕量結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度校核、附屬部件的設(shè)計(jì)、三維建模等。

關(guān)鍵詞：曲軸；清洗；機(jī)械手

中圖分類(lèi)號(hào)：TG751.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.008

1設(shè)計(jì)的目的和意義

拖拉機(jī)可應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部分，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必備的動(dòng)力機(jī)械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用大、用途廣。

拖拉機(jī)的使用在我國(guó)已有近百年的歷史了，它的發(fā)展和使用促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展又促進(jìn)了拖拉機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和完善，以不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)的拖拉機(jī)從無(wú)到有，發(fā)展異常迅速，但與國(guó)外相比起步較晚，技術(shù)還比較落后，無(wú)論在產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量上，還是在品種上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，都有一定的差距。

近50年來(lái)，國(guó)外拖拉機(jī)的功率日趨增大，技術(shù)水平越來(lái)越高，對(duì)生產(chǎn)的要求，特別是對(duì)生產(chǎn)中各零件的要求更是越來(lái)越高，在零部件清潔方面大多采用自動(dòng)線清洗或機(jī)器人清洗，而機(jī)器人清洗是高于自動(dòng)線清洗的嶄新的技術(shù)，在機(jī)器人清洗設(shè)備中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的部分，下文主要介紹一下曲軸抓取機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)。

2設(shè)計(jì)方案構(gòu)思

2.1抓取工件位置及定位方案的確定

機(jī)械手抓取工件的原則是不傷及加工精度較高的主軸頸和連桿軸頸，定位穩(wěn)定可靠，不遮擋工件主要部位的清洗，保證清洗設(shè)備中高壓水流能夠直接沖擊主軸頸和連桿軸頸表面。根據(jù)這一要求和曲軸的具體結(jié)構(gòu)，確定以曲軸兩端的中心孔定位并兩端用夾緊力夾緊，這樣即限制了曲軸在x軸、y軸方向上的移動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，又能保證工件牢固可靠，在機(jī)械手緩慢移動(dòng)和快速移動(dòng)中工件曲軸不會(huì)松脫。上訴夾緊定位也限制了z軸移動(dòng)的自由度，而z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度還處于自由狀態(tài)。被夾緊的工件—曲軸有兩端，即法蘭端和長(zhǎng)軸端，在法蘭端面有個(gè)定位銷(xiāo)孔，在該孔中插入定位銷(xiāo)，定位銷(xiāo)的另一端與夾緊手臂固定，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度也被完全的限制。

2.2機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的方案構(gòu)思

欲實(shí)現(xiàn)上文中確定的定位和夾緊的功能，需要有兩只機(jī)械手手臂，并且能夠移動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)夾緊時(shí)曲軸在機(jī)械手的操縱下完成直線移動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的目的，同時(shí)，機(jī)械手又能松開(kāi)曲軸放置在指定的位置，實(shí)現(xiàn)抓取另一只曲軸繼續(xù)清洗的功能。

能夠?qū)崿F(xiàn)這種移動(dòng)的動(dòng)力原件有多種，如氣爪、氣缸、油缸、電缸等。在沒(méi)有特殊要求的情況下盡量采用氣缸，因?yàn)樗哂谐杀镜土⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、能源清潔方便等優(yōu)點(diǎn)。

兩只手臂都需要移動(dòng)就需要兩只氣缸，如果只需要一支手臂移動(dòng)只需要一只氣缸就可以滿足要求。由于機(jī)械手是由機(jī)器人帶動(dòng)工作的，而機(jī)器人可以在一定的范圍內(nèi)做任意動(dòng)作，控制機(jī)械手到達(dá)任意位置，因此在機(jī)器人帶動(dòng)機(jī)械手抓取曲軸時(shí)，可以機(jī)器人帶動(dòng)一只固定的機(jī)械手臂靠近曲軸的一端，之后另一只手臂在氣缸的驅(qū)動(dòng)下夾緊曲軸的另一端，這樣只需要一只氣缸即可完成要求的動(dòng)作。

設(shè)計(jì)這種機(jī)械手需要有一個(gè)相對(duì)于機(jī)器人固定的部件，我們稱它為連接塊，它前端與機(jī)器人的連接盤(pán)連接，下端與機(jī)械手的固定手臂連接，也與氣缸固定連接，活動(dòng)的機(jī)械手臂與氣缸連接，并隨氣缸做直線移動(dòng)。

氣缸在夾緊曲軸時(shí)，兩只機(jī)械手臂受彎曲應(yīng)力的作用，所以兩個(gè)手臂在設(shè)計(jì)時(shí)要有一定的抗彎強(qiáng)度和較好的剛度。而活動(dòng)手臂的彎矩會(huì)理所當(dāng)然的傳遞給氣缸，至使氣缸也承受較大彎矩的作用。而氣缸本身不具備抵抗彎矩的能力，只能承載軸向載荷。解決的辦法是增加一組直線移動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的一端與連接塊固定，另一端與活動(dòng)的機(jī)械手臂固定。這樣活動(dòng)的機(jī)械手臂的彎矩直接傳給了直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌的主要作用就是承載彎曲應(yīng)力的作用，把活動(dòng)手臂的彎矩通過(guò)導(dǎo)軌傳給連接塊。方案構(gòu)思如圖1所示。

1.機(jī)器人連接盤(pán) 2.連接塊 3.機(jī)械手固定手臂 4.氣缸 5.機(jī)械手活動(dòng)手臂 6.定位銷(xiāo) 7.曲軸夾緊頂尖 8.曲軸

3整體結(jié)構(gòu)建模

該機(jī)械手是裝載于機(jī)器人連接盤(pán)的動(dòng)作部件，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)將機(jī)械手移動(dòng)到所需要的位置，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取目的工件。應(yīng)用以上構(gòu)思的方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)三位軟件建模，得到拖拉機(jī)曲軸生產(chǎn)線抓取曲軸清洗機(jī)械手整體構(gòu)造如圖2所示。

4機(jī)械手手臂的輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)器人以及氣缸所能承受的載荷是一定的，如果機(jī)械手連同曲軸的重量較大，就需要選擇較大的機(jī)器人和氣缸，這就需要更高的成本投入，也浪費(fèi)電力、氣源等能源。在設(shè)計(jì)時(shí)，曲軸的重量是不可以改變的，但是，機(jī)械手臂的重量可以在設(shè)計(jì)時(shí)采取一些措施，使其在保證要求的前提下，盡量減少實(shí)體材料。手臂主要承載彎矩的作用，如果設(shè)計(jì)成實(shí)體結(jié)構(gòu)，顯然是不合理的，本設(shè)計(jì)中采用了類(lèi)似于工字鋼結(jié)構(gòu)的截面，在長(zhǎng)度方向上兩端尺寸不等，近似于等強(qiáng)度梁，在工字鋼底板的中性層附近進(jìn)行挖空處理，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能的減少重量。

5氣缸的選擇

已知條件：生產(chǎn)車(chē)間氣源壓力為p=4 kg/cm2，曲軸重量18.6 kg，兩端頂尖孔角度60°，中心孔深度23 mm，安全系數(shù)K=3～4，兩端頂尖頂端距端面留出15 mm的距離。

5.1氣缸行程的選擇

氣缸行程h=23×2+15×2=76 mm

查表，按氣缸標(biāo)準(zhǔn)，選擇氣缸行程為100 mm。

5.2氣缸直徑的選擇

根據(jù)曲軸兩端中心孔的參數(shù)，計(jì)算夾緊力

F1=18.6×10=186 N

F2=F1·ctg30°=186×1.732=322 N

F=K·F2=（3～4）×322=966～1288 N

選擇直徑為63 mm的氣缸，夾緊力為endprint

f=3.144·d2·P=3.144×6.32×4×10=1247 N

符合夾緊力的要求。

5.3選擇氣缸型號(hào)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合清洗設(shè)備對(duì)動(dòng)力原件的要求，選擇型號(hào)為CNA2F63-100防水帶端鎖氣缸即可滿足使用要求。

6機(jī)械手臂變形量校核

已知條件：氣缸夾緊力P=1247 N，機(jī)械手臂懸臂長(zhǎng)度L=31.8 mm（由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定），材料的彈性模量E=2×105 kg/cm2，手臂截面為近似工字型，由兩塊相同并鏡像的底板和一塊腹板組成，每塊底板根部均為矩形截面，其尺寸為100 mm×12 mm，要求夾緊處的彎曲變形量小于0.05 mm。

校核如下：

腹板的抵抗變形的能力可以忽略不計(jì)，只計(jì)算兩塊底板的變形量，矩形截面的軸慣性矩為

J=h12·b3，每塊底板的軸慣性矩為

J=h12·b3=1.212×103=100 m4，

夾緊處機(jī)械手臂的最大變形量為

Y=p2EJ·L3=12472×2×105×2×100×3183=0033 mm

0.033 mm<0.05 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

7輔助零部件的設(shè)計(jì)

7.1氣缸防護(hù)設(shè)計(jì)

氣缸作為比較精密的部件，在曲軸清洗操作中，為了避免被清洗掉的顆粒、鐵削等雜物沖擊，避免高壓清洗的水流沖擊進(jìn)氣管接頭或調(diào)速閥等緣故，必須加以防護(hù)。因此設(shè)計(jì)了氣缸防護(hù)罩。

7.2檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

機(jī)械手抓取工件后，由機(jī)器人帶動(dòng)完成其他的動(dòng)作，在機(jī)器人動(dòng)作之前，必須檢測(cè)工件是否準(zhǔn)確的被抓取，避免由于氣缸卡滯、氣源故障、不正常的干涉等因素所導(dǎo)致的氣缸移動(dòng)不能到位、工件夾緊不可靠等不能正常夾緊抓取的情況發(fā)生。其次，機(jī)器人將前一工件放置到指定位置后，需要再次抓取另一工件進(jìn)行清洗作業(yè)，此時(shí)需要確認(rèn)氣缸是否完全伸出，機(jī)械手是否完全張開(kāi)，此時(shí)也必須進(jìn)行檢測(cè)。所以，機(jī)械手需要有兩個(gè)位置的檢測(cè)，即氣缸完全收回、機(jī)械手處于正確的抓取狀態(tài)，以及氣缸完全伸出、機(jī)械手處于完全張開(kāi)的狀態(tài)。

這兩種檢測(cè)均屬于位置檢測(cè)，位置檢測(cè)的原件有行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)等多種，本機(jī)械手選用接近開(kāi)關(guān)作為位置檢測(cè)的原件，因?yàn)樗哂蟹浪?、價(jià)格較低、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)準(zhǔn)確度能滿足使用要求等優(yōu)點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)布置如下，在氣缸防護(hù)罩上設(shè)計(jì)兩個(gè)孔用來(lái)安裝接近開(kāi)關(guān)，兩個(gè)孔的距離等于氣缸行程，設(shè)計(jì)檢測(cè)架，使其一端固定在機(jī)械手的活動(dòng)手臂上，另一端裝有檢測(cè)塊，檢測(cè)塊在氣缸完全收回時(shí)與第一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)齊，在氣缸完全伸出時(shí)與第二個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)齊。

由于接近開(kāi)關(guān)的電線已經(jīng)接入了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，在氣缸收回和氣缸伸出時(shí)均能檢測(cè)到位置信號(hào)，可以作為機(jī)器人帶動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作的依據(jù)，以保證在曲軸清洗的動(dòng)作中不會(huì)出現(xiàn)異常的故障。避免意外事故的發(fā)生。

8防止銹蝕設(shè)計(jì)

機(jī)械手是在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行各種清洗作業(yè)的，清洗液中的主要成分是水，雖然清洗液具有防止工件銹蝕的成分，但機(jī)械手長(zhǎng)期在高溫的清洗液中浸泡和沖擊，也必須做好防止銹蝕的設(shè)計(jì)。

該機(jī)械手零件設(shè)計(jì)時(shí)，氣缸防護(hù)罩等薄板類(lèi)零件均采用304不銹鋼材料，具有很好的防銹作用；曲軸兩端的頂尖采用碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，表面拋光后采用鍍硬鉻處理，具有強(qiáng)度和剛性較好、防銹、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)；其它結(jié)構(gòu)件一般采用結(jié)構(gòu)鋼制造，并噴砂后經(jīng)過(guò)鎳磷浸鍍的表面處理，這種處理工藝具有防銹效果好、鍍層能較好的滲透到零部件的角落和縫隙中，是一種很成熟的防銹工藝。

9細(xì)化數(shù)模，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成以上輔助設(shè)計(jì)和精量化設(shè)計(jì)，機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)具體化并輕量化，氣缸按實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸繪制數(shù)模并添加連接，增加氣缸防護(hù)罩和位置檢測(cè)裝置，重新繪制機(jī)械手?jǐn)?shù)模如圖3所示。

10結(jié)論

按照以上數(shù)模繪制工程圖，編制機(jī)械加工工藝，購(gòu)置氣缸、接近開(kāi)關(guān)等外購(gòu)件，加工并裝配出試驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)一系列試驗(yàn)和測(cè)試，該樣機(jī)完全可以滿足拖拉機(jī)曲軸生產(chǎn)線清洗機(jī)械手的使用要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案合理、可行。

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