一种码垛机械手的设计及其计算

王 跃

（营口锻压机床有限责任公司，辽宁 营口 115000）

如图1 所示为一浅拉伸零件。为研究该零件生产线中码垛机械手的设计选用，需要根据其生产工艺，确定生产线码垛工艺，最后对机械手进行设计选择。

图1 零件图

该零件直径ø620mm，厚度1mm，零件重量m=2.3kg。零件外形看似简单，但其整体结构比较特殊：①零件存在镂空，而用户对零件的洁净度要求较高。若使用吸盘则易给零件留下痕迹，因此无法使用吸盘；②码垛数量及高度：4 垛2×2，码垛高度800mm；③码垛速度8 件/min，码垛速度需要与生产线的生产速度匹配，或者匹配码垛工位之前设备的加工速度。

设计过程可参考如下步骤进行。

1 根据零件尺寸进行码垛方案布置

根据该零件尺寸，考虑生产线布置以及工位大小，码垛拟采用2×2 形式。码垛布置图如图2 所示。

图2 码垛布置图

2 码垛轨迹分析

2.1 动作一

机械手向下运动至工件，抓取后返回至起始高度，如图3 所示。

图3 码垛方案图

设计行程A=150mm，由于此段距离过短，可以按照匀加速运动后即刻匀减速运动。运动过程参数如表1 所示。

表1 动作一运动数据

机械手开始返回至起始高度的同时可向前做水平运动，存在时间重叠，因此机械手返程用时可不计。

此动作合计用时T1=1.724s。

2.2 动作二

机械手向前运动至1、2 垛位。

设计行程B=1600mm。首先做匀加速运动，再做匀速运动，最后做减速运动。运动过程参数如表2 所示。

表2 动作二运动数据

在做减速运动的同时，机械手向下运动，开始进行工件码垛，同样存在时间重叠，减速时间可不计。此动作合计用时T2=4s。

2.3 动作三

机械手向下运动，进行码垛，完成码垛后机械手返回至初始高度。运动过程参数如表3 所示。

表3 动作三运动数据

设计行程C=950mm（最大）。机械手首先进行匀加速运动，之后做匀速运动，最后做匀减速运动，完成码垛后开始返回至最高点。同样先匀加速再匀速，最后匀减速。在匀减速同时机械手开始水平向后运动，存在时间重叠，因此在减速阶段用时不计。此动作合计用时T3=6.25s。

2.4 动作四

机械手水平向后运动，返回至初始位置。

设计行程B=1600mm。运动轨迹同样分为加速、匀速、减速三个阶段。运动过程参数如表4 所示。

表4 动作四运动数据

此动作合计用时T4=4.082s。

经过上述四个阶段，机械手完成1、2 垛位的码垛，返回至初始位置。

然后，机械手开始3、4 垛位码垛。此过程重复动作一～动作四，但与1、2 垛位不同之处在于水平运动二、四的行程为D=850mm，即匀速运动时间不同。经过计算，此段往返时间分别为：T5=2.125s，T6=2.552s。

完成1、2、3、4 四个垛位码垛的时间合计为：

T总=（T1+T3）×2+T2+T4+T5+T6=28.71（s）。

根据设计速度要求8 件/min，即：

T总＜30s。

由于时间分配均是按照最长行程进行设计，随着垛堆高度的增高，后续每次码垛所用时间将会逐渐缩短。则设计时间完全可以满足码垛速度的要求。

3 设计零件抓取机构

由于此设备机械手为非标设备设计，因此设计思路比较开放，可参考类似的抓取机械手结构进行参考对比，并进行结构融合。根据案例中零件的尺寸及特性，抓取机构采用图4 所示方案。

图4 机械手方案

抓取机构的驱动可采购标准气缸。由于零件重量较轻，气缸内径选用ø32 即可，同时可减小连接机构的尺寸，减轻抓取机构的重量，降低对电机的性能要求。气缸行程尽量采用标准行程，便于采购及更换维护。

图中，驱动气缸推动导向杆及联动架经过连杆机构使三个抓取钩张开。当气缸回退时联动架上移，使三个抓取钩收拢，完成零件抓取。导向机构采用方孔导向，避免联动架产生转动，联动架应配有限位螺栓，便于调整收拢尺寸。各连杆长度可根据气缸行程，利用SolidWorks 或者其他三维软件进行建模模拟，调整各连杆长度以适应工件尺寸。

机械手抓取机构使用频率很高，连杆连接处可采购标准的自润滑轴承，减小零件磨损，延长使用寿命。

4 设备竖直方向运动机构设计

竖直方向的传动方式可采用齿轮齿条传动方式，安装齿条的主体立柱可以选购标准规格的铝型材，如图5 所示。导向机构可采用两根单轴芯直线导轨进行导向（对称布置），这种直线导轨经常被用于火焰切割机，导轨不受速度限制。同时可配合相应的V 型槽轴承，这种轴承有同心轴承和偏心轴承两种形式，用同心轴承进行定位，利用偏心轴承对导轨间隙进行调整。导轨和V 型轴承的采购价格也比较经济，便于更换维护。完全可以满足低精度码垛设备的使用要求。

图5 竖直方向传动图

设备水平方向的导向也可以采用这种导向方式。

机械手一次应抓取两个工件，因此需要配备两套抓取机构。两套机械手可用水平横梁进行连接，水平横梁同样采用标准铝型材，两者之间可以用相应的铝型材附件进行连接，既可以减轻机械机构的重量，也可以降低生产成本，并且具有良好的外观。如图6 所示。

图6 机械手布局图

水平横梁的长度可根据码垛布局图的尺寸进行确定（图3），两套抓取机构的中心距离应该保证750mm。

竖直立柱的长度，齿条长度，以及导轨的长度，需要根据码垛高度的尺寸以及机械手的外形尺寸展开设计，应满足运动行程大于950mm。

完成竖直方向的运动机构设计后，需要利用SolidWorks 或者其他三维软件对运动机构的重量进行核算。

外购件重量需要与供应商进行沟通确认。同时还要考虑竖直方向上的电子检测原件的重量以及标准螺栓的重量。最后加上码垛零件的重量，核算完毕后合计为M，该重量为电机及减速机的选择提供计算依据。经过核算立柱部件总质量54.85kg（考虑到导轨摩擦等因素影响，选择电机时会将重量乘以一个保险系数，取k=1.1～1.2）。最终得M=63kg。

5 设备竖直方向电机及减速机选择

如图7 所示，根据公式：F-Mg=Ma（a：加速度），出于电机扭矩的考虑，往往需要配合标准的电机减速机，在获得加大的输出扭矩的同时也可以提高整体刚度。这里可以选择传动比i=10 的减速机，效率η减=0.97。

图7 齿轮受力图

竖直方向匀速阶段V=0.4m/s，此时的电机转速n=60V*i/（2π*R）=1274r/min。

结合机械手运动轨迹分析，机械手在完成动作三的过程中的“向下运动的减速阶段”以及“向上运动的加速阶段”均要求加速度方向向上，即F＞Mg。

在做时间分配时，设计这两个阶段加速度大小相同，由于加速向上阶段机械手已经完成零件码垛，此时负载重量较小，则机械手在“向下运动的减速阶段”负载扭矩达到最大值（电机转速1274r/min）。

齿轮齿条的传动效率一般在0.94～0.98 之间，可以取中间值η齿=0.96。

T负=（Mg+Ma）*R=19.7N·m

要求电机及减速机满足以下条件：

T*i*η齿*η减＞T负

且T减＞T负

式中：T减为减速机额定输出扭矩。

代入数据进行计算得到（n=1274r/min）：

T＞2.12（N·m）

电机可以考虑选用步进电机，步进电机在价格上具有一定优势，但缺点是高速阶段扭矩会大幅衰减，这需要参考电机扭矩曲线，如图8 所示，并且保证较大的安全系数。

图8 电机扭矩曲线

实例中采用的是86 型步进电机，并且带有制动装置。从扭矩曲线中得到电机转速在1300r/min 时对应输出扭矩T=6.2N·m，安全系数=6.2/2.12=2.95。减速机可选AF90（i=10）型，减速机参数见表5，安全系数=104/19.7=5.3。均满足使用要求。

表5 减速机参数表

这里需要记录下电机和减速机的重量，这些数据将计入水平负载中。查询样册得知：M（电+减）=7.5kg。

6 设备水平方向电机及减速机选择

从图9 中可以看出，水平方向的负载重量比竖直负载多出电机和减速机重量M（电+减），电机连接架，8 个V 型轴承以及若干连接螺栓，经过重新计算得到水平负载重量M水=89（kg）。

图9 水平方向传动图

水平方向可以使用两个直径相同的同步带轮进行传动，一侧与电机连接作为固定端，另一侧进行张紧。在电机滑板背面与同步带连接，传动效率可取η带=0.98。

案例中采用节距p=12.7 的H 型同步带轮，齿数28 齿。直径可以按照D=110mm 计算。

减速机传动比i=5。根据设计数据水平退回阶段的加速度最大，此时：

水平速度

V=0.49m/s

电机转速

n=60V*i/（π*D）=426r/min

水平方向的摩擦力

f=M水*g*μ（μ=0.12）

同步带拉力

F=（M水*a）+f

代入数据计算同步带拉力的扭矩

T拉=M水*（g*μ+a）*D/2=8.82（N·m）

同样

T*i*η带*η减＞T拉

T减＞T拉

代入数据进行计算得到：

T＞1.86（N·m）（n=426r/min）

在扭矩曲线中得到电机转速在426r/min 时对应的输出扭矩T=6.2N·m。

安全系数=6.2/1.86=3.33。减速机可选AF90（i=5）型，安全系数=130/8.82=14.74，均满足使用要求。

考虑到采购方便、设备通用性以及产品维护保养，竖直和水平方向选用相同型号的电机。

7 小结

本文案例对非标码垛机械设备的设计及计算进行了简单说明梳理。在设计过程中可以将计算过程用Excel 进行编程，便于设计数据调整，提高设计效率。此案例可为相关从业人员提供设计参考。