码垛机械手的设计

(徐州工程学院机电工程学院 江苏 徐州 221018)

一、机械手的总体设计方案

由于根据设计要求，搬运对象的加工工件约30千克，总长约500毫米，然后将数控车床的实际布局形式，以及机械手的相关要求同时考虑在内，并结合系统工艺的要求，对结构进行尽量简化，以达到提升可靠度与降低成本的目的。这个工作中的机械手一共存在三种不同的运动形式，其一为手臂的伸缩直线运动，其二为手臂立柱升降直线运动，其三为手臂回转运动，综合来看，机械手自由度等于3，本文选用圆柱坐标形式，也就是说，包括了两个移动自由度与一个转动自由度。该机械手拥有较大的手臂运动范围与比较简单的结构，并在定位精确度上也是比较高的。在图1中展示了机械手的具体工作布局图。

图1 机械手工作布局

(一)腰座结构设计

为了实现腰座旋转的带动形式，可以有两种方式选择，其一为选用步进电机的减速构造，其二为选用液压马达。本文设计选择使用的是前者。因为电动控制采用较高的精度，加上紧密的构造，省去了其他辅助部件与液压系统。腰座属于机器人的首个旋转关节部位，会在很大程度上影响到机械手的最终精度，因此电动机驱动用于完成腰部的旋转运动。由于传动比大于100，因此需要减速，并增大扭矩，在齿轮传动的齿侧间对其传动精度产生影响，这就是一级齿轮传动。为了对机械手的整体构造进行减小，齿轮要用高的强度和硬度及精度，将齿轮传动的误差进一步减少。在图2中展示的是腰座具体的结构：

图2 腰座结构图

(二)手臂的结构设计

机器人的垂直臂(大臂)升降和水平臂(小臂)的伸缩运动通过气动,液压及电动滚珠丝杠完成相应的直线运动。需要将搬运的工件重量考虑在内，由于所要加工工件的质量约30千克，属于中等重量范畴。另外，将机械手的运动稳定性、安全性，以及动态性能考虑进来，手臂的刚性要求也是很高的。综合起来看，最终的双臂驱动模式为液压驱动。利用液压缸进行直接驱动，机器人的运动部件与带动部件为液压缸，其他的设计执行器件就可以省去了；利用液压缸，可以实现线性运动，并通过计算机可以简单实现控制。

因为液压系统所提供的驱动力比较大，所以比较容易实现结构的强度与驱动力，其中机器人的运动刚性与稳定性是最为关键的。所以，根据设计臂式液压缸的原理，需要增大缸体的直径，只要整体结构条件允许，就能进行校核缸体的强度。

另外,因为具体的工作与控制要求是不一样的，使得机械手臂不能具有太大的结构。假如只是利用将液压缸孔径增大的方式来提升其刚度，那就使得系统的刚性无法得到满足。所以，需要将导杆机构进行额外设计，需要将两个导杆增加在臂上，这样就同活塞一起共同构成了一个等边三角形的截面形式，以尽可能地增加刚度;四个导杆添加到大臂上,并且正方形布置成规则的四边形形状。为了降低质量,我每个导杆采用我中空结构。通过添加导杆,能够提高刚度及稳定性.

(三)手腕部的结构设计

在具体分析了数控机床上下料作业情况后，将车床加工的具体形式与机械手的作业要求考虑在内，以系统工艺要求为前提，将其可靠性与安全性提高，进一步简化机械手的结构，并将控制难度降低，本文所设计的手腕自由度并未增加，通过实践证明了这与作业要求是相符的，三个自由度与车床的上下料要求是完全一致的。在图3中展示了本文设计的手腕结构图。

图3 手爪联结结构

(四)末端执行器(手爪)的结构设计

与具体的工作情况相结合来看，本文设计的手爪采用的是杠杆式连杆。对活塞进行驱动，使之作往复移动，并利用活塞杆端的齿条，扇形齿条与中间齿条可以驱动手指进行闭合运动或者张开运动。通过调节加工工件的直径来确定手指的最小开度。本文根据卷烟成品箱的尺寸来完成设计。在图4中展示的是手爪的具体结构形式：

图4 机械手末端执行手爪结构图

(五)机械手驱动系统的设计

在进行具体的设计过程中，先要对具体的工作要求进行分析，然后将各个因素进行综合考虑。旋转机械手腰部，需要确保其控制定位精度，所以选择实现驱动的方式为步进电机；由于选用的垂直手臂与水平手臂来作为液压执行缸，所以不管是大臂，还是小臂，均使用液压驱动；另外，有车床加工采用的是不同的工件，水平手臂具有不同的伸出长度。所以，对于水平手臂，需要其具备伺服定位能力，所以最终选择的驱动工具为电液伺服液压缸。

为了实现手爪的夹紧与张开动作，需要通过扇形齿轮与中间齿轮相互配合，也就是说，通过手爪作用，利用柱塞缸的推力，驱动扇形齿轮，中间齿轮，以及活塞杆端部齿条来将手指的闭合与张开动作实现。

二、液压系统的设计

(一)确定液压系统的主要参数

流量与压力属于液压系统的两个主要参数，主要根据这两个参数来进行液压元件的选择，以及液压系统的设计。外载荷的大小决定了压力大小，而流量是由液压执行元件的结构尺寸与运动速度来共同决定的。

1.计算液压缸的总机械载荷

从机构的实际工作情况出发，得到计算液压缸总机械载荷的公式如下：

F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb

(2-1)

在上式中，Fw代表的是外载荷，由于在水平方向上不存在外载荷，所以等于0；

Fm代表的是活塞上的惯性力；

Fsf代表的是密封阻力；

Ff代表的是导向装置上产生的摩擦阻力；

Fb代表的是通过回油被压产生的阻力；

(1)Fm的计算

(2-2)

在上式中，G代表的是液压缸的移动总重量，本文等于100KG；

g代表的是重力加速度，本文取9.81m/s2；

Δv代表的是速度变化量；

Δt代表的是启动时间，或者制动时间，它的取值范围在0.01秒到0.5秒之间，本文取为0.2秒

在带入了各个对应的值进行计算可得Fm=1.02N

(2)Fsf的计算

Fsf=Δpf·A1

(2-3)

在上式中，Δpf代表的是空载压力，这是为了克服液压缸密封件摩擦阻力形成的，假如液压缸的工作压力小于16MPa，通过查询相关手册确定取0.2MPa；

A1代表的是进油工作腔截面的有效面积；

启动后得到：Fsf=565N

运动后得到：Fsf=283N

(3)Ff的计算

在机械手水平方向上共存在两个不同的导杆，其中的内导杆与外导套之间形成的摩擦力计算公式如下：

Ff=G·f

(2-4)

在上式中，G代表的是机械手与工件的总重量，本文等于100千克；

f代表的是摩擦系数，取f=0.1；

将相关的数据带入公式进行计算得到：Ff=98N

(4)Fb的计算

通过回油背压产生的阻力，按照以下的公式进行计算：

Fb=pb·A2

(2-5)

在上式中，pb代表的是回油背压，其取值范围在0.3MPa到0.5MPa之间，本文取0.3MPa

A2代表的是杆腔活塞面积，将两边的差动考虑在内，其值取2；

将相关的数值带入后得到Fb=424N

对液压缸的不同工作阶段的相应受力情况展开分析，得到活塞上产生的总的机械载荷大小如下：

F=1088N

2.手爪执行液压缸工作压力计算

手爪为了能够将工件抓起，首先应该满足以下的条件：

N≥k1k2k3G

(2-6)

在上式中，N代表的是所需夹持力；

k1代表的是安全系数，其取值范围在1.2到2.0之间；

k3代表的是方位系数，通过查表得到k3≈1；

G代表的是被抓持工件的重量，本文取30千克；

带入相关的数据后，可计算得到：N=120N；

(2-7)

在上式中，p代表的是理论上柱塞缸的所需驱动力；

b代表的是夹紧力与回转支点之间的垂直距离；

R代表的是扇形齿轮分度圆半径；

N代表的是手指夹紧力；

η代表的是齿轮传动机构的效率，本文取0.92；

带入相关的数据后，计算得到结果如下

P=377N

驱动力的计算公式如下：

(2-8)

在上式中，Fc代表的是计算驱动力；

k1代表的是安全系数，本文取1.2；

k4代表的是工作条件系数，本文取1.1；

带入相关的数据后，计算得到结果如下：

Fc=920N

缸内油压形成了液压缸的工作驱动力，所以存在

Fc=P·A

(2-9)

在上式中，P代表的是柱塞缸工作油压；

A代表的是柱塞截面积；

通过计算得到所需的油压等于3MPa

(二)液压缸主要参数的确定

根据机械手的具体特点可知，机械手系统的稳定性与刚度属于两个很重要的参数。所以，在选择液压缸的缸径时，首先应该站在刚度角度分析，这样可以尽量确保机械手的运动与机械手具有足够的安全性能与稳定性能。而对于液压缸的工作压力与工作速度，到了液压系统的设计阶段，将外部的液压回路，调速元件，以及何时的调速回路考虑在内后，通过细致的分析后，将各方面的因素考虑在内后，将各液压缸的基本参数进行初步确定，具体在表1中进行了展示：

表1手爪执行柱塞缸参数

注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。

表2水平伸缩液压缸参数

由于伸缩缸的主要作用为进行伸缩运动，对于轴向上并不会有显性的工作载荷存在，而在轴向上可以对摩擦力矩进行克服，这样承受的载荷就变成了径向载荷，此时的载荷为弯矩形式，所以弯曲变形不会发生。还有就是由于机械手需要具备一定的柔性要求，水平液压缸活塞杆的工作行程比较大。另外，这种较长的行程与较大的弯矩，需要液压缸的刚度与稳定性达到一定的要求。

所以，我们在设计水平伸缩缸时，首先需要将其抗弯能力增大，其次还要对结构布局进行合理的设计，让其刚度尽量大。为了可以实现该目的，本文设计了两个导向杆，这样可以让长行程活塞杆具有更好的导向与稳定性。另外，为了将结构的稳定性与刚度进行增大，需要将活塞杆与导向杆设计成一种等边三角形的截面形式，这样就可以让抗弯截面模量增大，进一步增大了液压缸的工作刚度值。

表3垂直液压缸参数

由于垂直液压缸上承受的载荷有两种方式，一种是轴向载荷，另一种为倾覆力矩，这是通过加工工件重力产生的。因为这是液压执行元件，所以很容易就能满足这里所需的驱动力要求，要想解决好该问题，最关键的就是要确保设计的结构具有足够的刚度，以此来达到抗倾覆的要求。因此，此处选择的依然是导向杆机构，将四根导杆设置在垂直升降缸的周边，可以将该问题进行较好的解决。

(三)液压缸强度的较核

(1)缸筒壁厚的较核

当 D/δ≤10时，可以得到校核液压缸壁厚的公式为：

(2-10)

在上式中，D代表的是缸筒内径；

Py代表的是缸筒试验压力，假如缸的额定压力pn≤16MPa，则有Py=1.5pn；

[σ]代表的是缸筒材料的许用应力，[σ]=σb/n，σb代表的是材料抗拉强度，通过对相关资料的查询后得到650MPa，其中，n代表的是安全系数，本文取n=5；

将相关的数据带入后，计算得到上式是成立的，由此可见，液压缸壁厚强度与相关的要求相符。

(2)活塞杆直径的较核

校核活塞杆的直径采用如下的公式：

(2-11)

在上式中，F代表的是活塞杆上作用力；

[σ]代表的是活塞杆材料的许用应力，本文令[σ]=σb/1.4；

将相关的数据带入后，计算得到上式是成立的，由此可见，本文设计的活塞杆强度与实际的工作要求是相符的。

结论

本论文为码垛机械手的设计，具有三个自由度和机械手爪的抓紧、放松功能。能够完成对目标物品的码垛工作,可以通过修改程序来完成对不同物品的码垛。在写作本论文的过程中，我学到了很多东西，以前不太懂得知识经过不断的翻阅资料现在都已经熟稔于心,而且这种论文也锻炼了我的多种能力,也加强了我对专业知识掌握。总之,我从论文写作中受益良多。