一種氣動(dòng)助力機(jī)械臂設(shè)計(jì)

侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

一種氣動(dòng)助力機(jī)械臂設(shè)計(jì)

侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子上料組裝，設(shè)計(jì)了一種輔助搬運(yùn)的氣動(dòng)助力機(jī)械臂裝置。該裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)、夾具、氣路控制系統(tǒng)及操控盤組成，機(jī)械臂由驅(qū)動(dòng)氣缸平衡重物，達(dá)到省力的目的。對(duì)氣動(dòng)助力機(jī)械臂進(jìn)行了整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了理論的分析與計(jì)算，采用分析結(jié)論和計(jì)算結(jié)果對(duì)錨栓、氣缸進(jìn)行選型，對(duì)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行了彎曲強(qiáng)度的校對(duì)。同時(shí)，提出一種采用儲(chǔ)氣罐和空氣誘導(dǎo)止回閥氣路邏輯控制方法，能保證在斷氣、斷電和氣壓不穩(wěn)定的情況下安全可靠。最后用ANSYS Workbench對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度達(dá)到使用要求。

搬運(yùn)；氣動(dòng)；機(jī)械臂

氣動(dòng)助力機(jī)械臂作為一種人機(jī)協(xié)同輔助搬運(yùn)設(shè)備，能夠利用機(jī)械臂高負(fù)載能力和發(fā)揮人的感知能力，高效、靈活、準(zhǔn)確地將繁重的物料搬運(yùn)到指定位置，對(duì)于提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平、改善人機(jī)工程、提高生產(chǎn)效率，具有十分重要的作用[1]，廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)、電子制造行業(yè)和生產(chǎn)自動(dòng)化等行業(yè)[2]。然而，氣動(dòng)助力機(jī)械臂在不同的運(yùn)用環(huán)境有不同的性能要求，如果在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中其設(shè)計(jì)不合理，或者未能達(dá)到性能指標(biāo)要求，將直接影響到使用的安全性和可靠性。因此，本文主要對(duì)氣動(dòng)助力機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算，并提出了一種采用儲(chǔ)氣罐和空氣誘導(dǎo)止回閥電氣邏輯控制方法，能夠有效地保證機(jī)械臂使用的安全性和可靠性，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械而言，更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行更加便捷、高效[3]。

本文根據(jù)某車企新能源電機(jī)組裝線研究?jī)?nèi)容，探索與設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)助力機(jī)械臂，用于完成電機(jī)轉(zhuǎn)子上料組裝，輔助工人沿指定軌跡搬運(yùn)重50 kg的轉(zhuǎn)子，從物料架位移到裝配線上，要求定位精確、操作方便、安全可靠、有效減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。表1是氣動(dòng)助力機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求。

表1 氣動(dòng)助力手臂設(shè)計(jì)參數(shù)

1 氣動(dòng)助力機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，氣動(dòng)助力機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)由連桿、立柱、氣路控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)幾個(gè)部分組成，用NX 8.0繪制出三維模型圖，如圖1所示。

1.基座 2.大臂 3.驅(qū)動(dòng)氣缸 4.平行連桿臂 5.儲(chǔ)氣罐 6.小臂 7.操控盤 8.夾具

氣動(dòng)助力機(jī)械臂機(jī)構(gòu)由基座、大臂、小臂等組成，是一系列連桿組成的空間連桿機(jī)構(gòu)，連桿與連桿有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。氣動(dòng)助力機(jī)械臂一端是固定基座，另一端是機(jī)械臂的末端執(zhí)行器。氣動(dòng)助力手臂通過(guò)基座固定于地面。在末端執(zhí)行器上焊接有一套抓取夾具，夾具是根據(jù)抓取工件外形和尺寸設(shè)計(jì)的，通過(guò)氣缸完成物料的抓取、釋放。本設(shè)計(jì)由氣缸提供驅(qū)動(dòng)力，其工作原理是利用氣體壓力使氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，通過(guò)氣缸平衡杠桿，使負(fù)載處于懸浮狀，從而達(dá)到省力的效果。在小臂上焊接操控盤，控制按鈕安裝在操控盤上，作業(yè)人員通過(guò)此操控盤對(duì)氣動(dòng)助力機(jī)械臂操控作業(yè)。

圖2是機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，根據(jù)工作的高度和行程的大小，確定機(jī)械臂各個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸具有不唯一性特點(diǎn)，所以各桿尺寸可以在一定的范圍內(nèi)選取，相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2所示。

圖2 氣動(dòng)助力機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸

基座是機(jī)械臂的根基，主干采用160 mm圓管材，材質(zhì)為Q235，有較好的剛度和強(qiáng)度[4]，考慮到機(jī)械臂需要的高度，因此高度尺寸設(shè)計(jì)為1060 mm。基座上端支撐著整個(gè)機(jī)械臂連桿結(jié)構(gòu)，上端通過(guò)螺釘與大臂鎖緊，下端用錨栓與混凝土地面錨緊，兩端采用法蘭盤設(shè)計(jì)，對(duì)于基座的設(shè)計(jì)除了自身要有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還要考慮到與地面固定的可靠。

錨栓分布如圖3所示，錨栓將基座與混泥土地面連接，錨栓組設(shè)計(jì)呈圓形分布，共使用4根。錨栓組在機(jī)械臂自重和負(fù)載的作用力下，在基座與地面接觸處形成傾覆力矩，與作用在基座軸線方向形成于平衡的力矩，由于錨栓會(huì)擰緊，錨栓還將會(huì)受到預(yù)緊力0，根據(jù)錨栓組結(jié)構(gòu)和受載情況進(jìn)行受力分析，以此找出錨栓組中受力最大的錨栓并計(jì)算出受力的大小?；芰Ψ治鋈鐖D4所示。

圖3 基座機(jī)構(gòu)圖

圖4 基座受力分析圖

即：

式中：F為第個(gè)錨栓所受載荷，N；L為各錨栓軸線到底板圓心軸線距離，m。

因?yàn)椋?/p>

式中：max為錨栓所受最大載荷，N；max為錨栓軸線到底板圓心軸線最大距離，m。

則有：

于是可以得出錨栓所有最大的負(fù)載為：

式中：為錨栓總個(gè)數(shù)[5]。

機(jī)械臂大臂和基座組成一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的大關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。轉(zhuǎn)動(dòng)角度為360°，大關(guān)節(jié)為機(jī)械臂提供一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)軸承裝置組件實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于大關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了要考慮此處受力大小因素外，還要考慮受力方向。在這里，大關(guān)節(jié)同時(shí)受到了軸向力和徑向力，因此采用深溝球軸承和圓錐滾子軸承的組合設(shè)計(jì)，可以承受較大的軸向載荷和徑向載荷。

圖5 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，深溝球軸承和圓錐滾子軸承支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于受到來(lái)自機(jī)械臂自身重力和負(fù)載的作用力，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸處形成彎矩，

按照軸所受的彎矩計(jì)算軸彎曲強(qiáng)度為：

式中：為轉(zhuǎn)動(dòng)軸的抗彎系數(shù)，mm3；為軸的直徑，mm；為軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；為軸的彎矩，N·mm。

計(jì)算得：＝50204 mm3；σ＝51 MPa。

轉(zhuǎn)軸使用45#鋼材，經(jīng)過(guò)調(diào)制熱處理，許用彎曲應(yīng)力-1＝60 MPa，有σ＜[-1]。

大關(guān)節(jié)配置有制動(dòng)氣缸（圖6），用氣缸的夾緊力抵消大關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)操作的不利影響。

圖6 制動(dòng)結(jié)構(gòu)三維模型

圖7是大臂的三維結(jié)構(gòu)圖，大臂呈Y形設(shè)計(jì)。下端有用于支撐驅(qū)動(dòng)氣缸的平臺(tái)，設(shè)計(jì)厚度為30 mm。中段采用圓管截面設(shè)計(jì)，圓管外徑160 mm，壁厚12 mm，圓管兩邊分布安裝儲(chǔ)氣罐和電控箱，上端是U字形狀，安裝平行連桿，并與平行連桿之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承形成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，U形結(jié)構(gòu)整體厚度為20 mm。驅(qū)動(dòng)氣缸、電控箱和儲(chǔ)氣罐安裝在大臂上，位置相對(duì)集中，可以減少氣路過(guò)長(zhǎng)帶損耗，增強(qiáng)氣路系統(tǒng)控制靈敏性。

圖7 大臂三維結(jié)構(gòu)圖

圖8是平行連桿和小臂的三維結(jié)構(gòu)圖，平行連桿有上下兩個(gè)。為便于后期制造的焊接工藝和關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)故采用方管截面的桿件，方管的截面尺寸為長(zhǎng)80 mm、寬80 mm、壁厚為8 mm。平行連桿與大臂之間都有轉(zhuǎn)動(dòng)副，經(jīng)過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，在機(jī)械臂末端執(zhí)行器上轉(zhuǎn)換為上下運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)助力機(jī)械臂就是通過(guò)這個(gè)上下運(yùn)動(dòng)把轉(zhuǎn)子從料架搬運(yùn)到組裝設(shè)備上。同時(shí)，上端的平行連桿還作為與氣缸連接的杠桿傳遞來(lái)自驅(qū)動(dòng)氣缸的動(dòng)力。平行連桿和小臂之間關(guān)節(jié)在方向和方向各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖8 平行連桿臂和小臂三維結(jié)構(gòu)圖

2 氣動(dòng)助力機(jī)械臂氣缸選型

本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)助力手臂結(jié)構(gòu)，一端是氣缸，另一端是末端執(zhí)行器，為方便分析與研究把機(jī)械臂左右兩端看作是杠桿，其中大臂是杠桿支點(diǎn)，利用杠桿原理相互平衡。氣缸作為手臂的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，氣缸提供驅(qū)動(dòng)力大小決定著機(jī)械臂能否提起負(fù)載，氣缸缸徑大小決定輸出力的大小，氣缸行程決定著工作范圍，因此對(duì)氣缸參數(shù)選取是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在氣動(dòng)助力機(jī)械臂所有工況當(dāng)中，手臂四連桿和末端處于同一個(gè)平面時(shí)，氣缸側(cè)所受到的力矩最大，所以選取此時(shí)的狀態(tài)用來(lái)計(jì)算氣缸的缸徑。在平衡條件下，為更準(zhǔn)確地算出氣缸受力大小，還需要考慮機(jī)械臂自身的重力。利用NX10測(cè)量體功能可以直接計(jì)算出杠桿兩端的重心，同時(shí)添加材料密度屬性，用分析模塊可以分別計(jì)算出機(jī)械臂兩端及其夾具重量。

可以得出：

式中：1為平行連桿臂于氣缸連接處受到垂直于地面的力，N；2為4桿件重力，N；8為右端質(zhì)心到支點(diǎn)距離，mm；1為負(fù)載重力，N；3為4、5兩段結(jié)構(gòu)重力，N；4為夾具重力，N；9為左端質(zhì)心到支點(diǎn)的距離，mm。

利用三維模型尺寸測(cè)量可得1＝490 N、2＝145 N、3＝899.4 N、4＝297 N，代入式（1）得出1＝6192.5 N。

氣缸軸線與1之間夾角為16°，設(shè)氣缸受力大小為氣，則有：

由壓強(qiáng)公式推出氣缸缸徑為：

式中：為壓強(qiáng)，Pa。

考慮到手臂關(guān)節(jié)摩擦等因素影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算將缸徑選擇為140 mm。

氣動(dòng)助力機(jī)械臂氣缸行程的參數(shù)獲取用NX 10.0三維模型通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真得出。如圖9所示，工件來(lái)料時(shí)放置在一個(gè)高1的料架上，助力機(jī)械臂末端夾具從料架上需要將工件搬運(yùn)到2的高度，然后位移到設(shè)備上進(jìn)行組裝。仿真方法是在NX 10軟件中用約束中心命令定義各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，使得關(guān)節(jié)能夠相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，再把相對(duì)位置不變的零件用膠合命令約束，使其成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)的整體，移動(dòng)末端執(zhí)行器，使夾具底部于地面垂直距離為1，標(biāo)記1點(diǎn)的位置，然后重新移動(dòng)末端執(zhí)行器，用同樣的方法使夾具離里面垂直距離為2，并標(biāo)記2點(diǎn)位置，測(cè)量出1和2之間的直線距離，就是氣缸行程需要的大小。

3 氣路控制原理

氣動(dòng)機(jī)械手是國(guó)內(nèi)外研究、設(shè)計(jì)、發(fā)展矚目的一項(xiàng)技術(shù)[6]，通過(guò)控制壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸，平衡負(fù)載，達(dá)到機(jī)械臂省力的目的，利用操作盤上的按鈕對(duì)氣路進(jìn)行控制完成機(jī)械臂執(zhí)行氣缸相關(guān)動(dòng)作。圖10是建立的氣動(dòng)助力機(jī)械臂系統(tǒng)氣路圖，機(jī)械臂的氣路回路由單向閥、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器、電磁閥、調(diào)速閥、空氣誘導(dǎo)止回閥組成。首先，來(lái)自氣源的氣體先經(jīng)過(guò)一個(gè)單向閥和儲(chǔ)氣罐，此處的功能是為后面的氣路提供一個(gè)穩(wěn)定的氣壓，可以把氣源氣壓變化帶來(lái)對(duì)機(jī)械臂使用不安全影響降低。然后，通過(guò)過(guò)濾器將氣體凈化，并調(diào)整壓力分五路送入電磁閥中。驅(qū)動(dòng)氣缸是由一個(gè)三位五通電磁閥和一個(gè)兩位三通電磁閥控制，氣缸的升降由三位五通電磁閥控制，機(jī)械臂需要在上下位置固定時(shí)，閉合兩位三通電磁通過(guò)空氣誘導(dǎo)止回閥鎖死氣缸。制動(dòng)氣缸采用兩個(gè)兩位三通電磁閥控制，一個(gè)電磁閥控制氣缸升降，另一個(gè)電磁閥搭配空氣誘導(dǎo)止回閥用同樣的方式實(shí)現(xiàn)氣缸的鎖死。利用前面兩個(gè)控制回路中對(duì)氣缸鎖死的功能能夠保證斷氣斷電的情況下機(jī)械臂大臂的旋轉(zhuǎn)和連桿上下運(yùn)動(dòng)被固定，采用此氣路回路設(shè)計(jì)方法能夠保證機(jī)械手使用的安全。

圖10 系統(tǒng)氣路圖

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)需要具有足夠的強(qiáng)度、剛度來(lái)抵御外載荷下的斷裂與變形，終端變形大小會(huì)影響終端定位精度[7]，因此分析氣動(dòng)助力機(jī)械臂在固定載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)是設(shè)計(jì)中重要的一步。本文中，助力機(jī)械臂的小臂是所有結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度與剛度最弱的地方，靜力學(xué)仿真是保證結(jié)構(gòu)安全的第一道屏障[8]，所以有必要對(duì)小臂進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法之一，本文基于ANSYS Workbench對(duì)小臂進(jìn)行有限元仿真。用NX 10設(shè)計(jì)的三維模型，將小臂導(dǎo)出XT格式文檔，添加到Workbench靜力學(xué)分析模塊。機(jī)械臂小臂材料采用45號(hào)鋼，材料密度7.8 g/cm3、楊氏彈性模量為210 GPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度335 MPa，將材料屬性設(shè)置到分析的模型中。對(duì)小臂劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算精度越高，但是同時(shí)所需要計(jì)算時(shí)間也要更長(zhǎng)，所以需要在計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間成本之間進(jìn)行平衡[8-10]，本文中小臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此采用六面體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，尺寸大小設(shè)置為20 mm。將載荷和夾具的重量添加到小臂上進(jìn)行分析計(jì)算，得到仿真分析結(jié)果如圖11～圖13所示。從Workbench分析結(jié)果云圖可知：小臂總的應(yīng)力變形為0.23 mm，最大變形來(lái)自方向，小臂方向尺寸為945 mm，因此0.23尺寸為合理范圍內(nèi)；最大應(yīng)力10.16 MPa，45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為335 MPa，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度。本節(jié)對(duì)機(jī)械手小臂靜力學(xué)仿真，仿真的結(jié)果顯示符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 總變形云圖

圖12 應(yīng)力云圖

圖13 X方向變形云圖

5 結(jié)論

針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子組裝上料，本文設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)助力機(jī)械臂，用于輔助搬運(yùn)作業(yè)，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，滿足功能要求，并通過(guò)工作的空間范圍確定結(jié)構(gòu)尺寸。氣動(dòng)助力機(jī)械臂利用錨栓緊固在混凝土地面，對(duì)基座進(jìn)行理論力學(xué)分析計(jì)算，選出合適的錨栓型號(hào)。設(shè)計(jì)大關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)按彎曲強(qiáng)度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行校對(duì)，結(jié)果表明軸的彎曲強(qiáng)度滿足使用要求。

分析機(jī)械臂機(jī)構(gòu)原理，通過(guò)理論計(jì)算和NX 10三維運(yùn)動(dòng)仿真，得出氣缸的選型參數(shù)。

與此同時(shí)，對(duì)機(jī)械臂裝置設(shè)計(jì)了一種帶安全鎖氣路控制，利用儲(chǔ)氣罐處理，穩(wěn)定氣壓，氣路當(dāng)中加入空氣誘導(dǎo)止回閥，可以保證在斷氣斷電過(guò)程中，氣動(dòng)助力機(jī)械臂不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)動(dòng)作，能夠有效保證裝置使用的穩(wěn)定和安全。

在此基礎(chǔ)上，用ANSYS Workbench對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)小臂進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，結(jié)果表明，小臂在設(shè)計(jì)負(fù)載下，結(jié)構(gòu)安全可靠，滿足強(qiáng)度、剛度要求。

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Design of a Pneumatic Assist Manipulator

HOU Junkui，XIONG Ruiping，PENG Bo，TANG Xiaokang

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Aiming at the loading and assembly of motor rotor, a pneumatic power assisted manipulator was designed to assist transportation. The device is composed of mechanical structure, fixture, pneumatic control system, and control panel. The mechanical arm is driven by the cylinder to balance the weight, so as to save labor. This paper conducts the whole structure design of the pneumatic power assisted manipulator and carries out theoretical analysis and calculation. The anchor bolt and cylinder are selected according to the analysis conclusion and calculation results, and the bending strength of the rotating shaft of the joint is checked. A logic control method using gas storage tank and air induction check valve is put forward, which can ensure the safety and reliability in the case of gas cut-off, power-off and unstable air pressure. Finally, ANSYS Workbench is used to carry out static simulation analysis of the key structure, and the results show that the strength and stiffness of the structure meet the service requirements.

handling；pneumatic power；manipulator

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.006

1006－0316 (2021) 02－0042－07

2020－08－10

四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目：智能涂裝產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)與集成（2020YFG0119）；四川省智能制造與機(jī)器人重大專項(xiàng)課題：工業(yè)機(jī)器人成套裝備研制與應(yīng)用（2019ZDX0019）

侯俊逵（1991－），男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，E-mail：alliswell.h@foxmail.com。