基于陶瓷托辊的搬运机械手设计

2017-05-11杨立洁牛清娜

中国设备工程 2017年5期

关键词：托辊执行机构推杆

杨立洁，牛清娜

（河北工程大学，河北邯郸 056038）

基于陶瓷托辊的搬运机械手设计

杨立洁，牛清娜

（河北工程大学，河北邯郸 056038）

陶瓷材料的托辊在压制轴承套过程中，托辊坯料的搬运过程是一项重复度极高的工序，本文结合实际生产中圆形托辊的轴承套压入过程，设计了一个专用机械手。详细介绍了机械手各部分的设计及计算过程，最后对该机械手的工作原理进行了阐述。该机械手的应用不仅可以节省人力，且有利于提高生产效率，节约生产成本，进一步实现托辊的自动化生产。

托辊；机械手；机械臂；机身；末端执行机构

机器人技术涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等多方面交叉学科，可在农业、水下、航空、航天、工业等多领域应用。在农业机械化中，研制出了用于苹果、草莓、黄瓜、蘑菇等的果蔬采摘机器人，用于蔬菜嫁接、果树分选、农田作业等的作业机器人等；在工业机械领域，机器人已应用在焊接、喷涂、装卸、运输等复杂危险、重复的作业中。工业机械手在工业界广泛应用，在机器人中占很大比重。

为减小输送带的运行阻力和限制输送带的垂度，输送带需要通过托辊组进行支承。托辊组通常由若干个辊子构成，辊子由轴承、轴、密封、端盖和管体等构成。钢制托辊由于生产制造简便且成本较低而被广泛应用各行业中，然而钢制托辊严重的磨损问题不容忽视，往往托辊轴承未损坏而托辊已经被磨破。

陶瓷托辊是一种耐磨的圆柱体工件，其加工过程主要包括注塑、吊烧、切割、磨削、压入轴承套等工序，其中压制轴承座过程中托辊坯料的搬运过程是一项重复度极高的工序，目前主要采用人工的方式实现。本文结合实际生产中圆形托辊的轴承套压入过程，设计了一个专用机械手，用于实现陶瓷托辊的搬运。

1 机械手的总体设计

本文设计的机械手应用在陶瓷材料托辊毛坯的轴承套压入工序中。该压制过程是通过装配压力机实现的，按照规定的要求完成以下的动作。第一步，先把环形轴承套放入到托辊内的凹槽内；第二步，机械手从原点伸出手臂，机械手的执行末端到毛坯放置位置抓取工件；第三步，机械手抓紧工件后，转动机身，将毛坯转到压力机工作台位置；第四步，压力机的冲头发生动作把轴承套压入毛坯内，形成过盈配合；第五步，压力机的压力机冲头返回，机械手的执行末端松开工件，机身旋转，手臂缩回后返回原位。由上述分析可知，机械手实现的动作为：伸出—抓紧—旋转—松开—旋转—缩回。以上就完成了一次压入装配，之后重复上述动作。根据实现功能进行机械手的参数选取，最大抓举重量为30 kg，手臂最大中心高为400 mm，伸缩行程为300 mm。

2 机械手结构设计

机械手的整体结构主要由机座、机身、手臂及末端执行机构构成。

（1）末端执行机构。机械手的末端执行机构是实现抓取的构件，即机械手的手部。因为被抓取的工件的形状、大小、重量区别、材料不同以及表面形状的不同等，使得机械手的手部的结构也不尽相同。因为机械手的抓取对象不同，实现原理不同，因而设计出来的末端执行机构的结构形态也是不一样的。最常用的是钳爪式、磁吸式和气吸式，当然还有一些特殊的形式。由于这次设计的机械手需要抓取的托辊毛坯是圆形的，所以选用了钳爪式的外卡式结构，机械手末端执行结构的指端采用V型手指，不仅适合去抓取圆形的工件，且具有可靠的夹紧稳定性，工作时误差也较小。该末端执行机构包括推杆、手架、圆柱销及机械手指等。机械手驱动推杆向左移动时夹紧工件，当驱动推杆向右移动时，机械爪松开工件。设P为作用在推杆上的驱动力，N为机械手指的夹紧力，一般N=(2−3)G，机械爪对圆柱销的的作用力为P1、P2 (且P1=P2，根据圆柱销的平衡条件∑F=0可知：

又知工件对机械爪的反作用力大小等于夹紧力N，按照机械爪的平衡条件0M=∑可得：

因为

所以

式中：a——机械爪回转支点到对称中心线的距离；

b——机械爪回转支点到“V”型钳口中心线的距离；

α'——滑槽方向与两回转支点间连线的夹角。

所以由公式（4）可得驱动力为

根据实际情况

式中：η——手部机构的机械效率(0.85～0.9)；

K1—— 安全系数(1.5～2)；

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。由式（6）可得驱动力为600 N。

（2）臂部的结构。由于本次设计的机械手只实现伸缩，无需弯曲的功能，故其仅有一个自由度。因此本设计中的机械手臂部结构极为简单，重量较轻，因此，选用双导向的杆式导向结构。另个导向杆分别布置在两侧，中间为伸缩液压缸，这种方式不仅能够承受较重的载荷，且刚性较好。在机械比的前端安装了支撑板，用于安装液压缸，该液压缸为驱动机械爪的夹紧与松开。臂部在作水平的伸缩运动的时候通过气缸进行驱动，液压缸的驱动力F为克服机械臂伸出时的摩擦阻力，这个阻力包括液压缸与活塞之间产生的摩擦阻力和导向杆与支承滑套之间产生的摩擦阻力等，还要克服开启时产生的惯性力等。工件等运动件的总质量为m，工件与导轨的摩擦系数为f，所以

式中：θ——阻力负载。

经计算，液压缸的驱动力F为900N。

（3）机身及机座机构的设计与计算。机械手的机身是机械手的关键部件，一方面机身要与支撑底座相连，另一方面还要连接机械手的其他部件，实现整体的连接、支撑，因而，在进行机身设计中，需要注意根据机身的受力、整体结构、工作要求进行整体考虑，在设计时要注意，根据受力的情况不同来选择合适的机身形状及机身轮廓，尽量增大支撑和接触刚度，结构尽量紧凑，传动系统尽量剪短。本文设计的机械手机身仅仅实现旋转运动，因此设计简单，结构也不复杂。选用齿轮齿条摆动液压缸来控制机械手的回转运动，需要计算回转力矩。回转运动驱动力矩包括两项：回转部件的摩擦总力矩；自身运动部件和其携带的手臂、手部和工件等。故驱动力矩可按下式计算：

式中：mM——总摩擦阻力矩()N mg；

Mg——各运动部件总惯性力矩(Ng m)；计算得到总的回转力矩Mq=135( Ng m)。

（4）机械手总体结构。在完成了机械手的各个部件设计后，得到的机械手总体结构。机械手的各个动作的实现过程为：①手臂的外伸或收缩。手臂上的液压缸为双作用的单活塞杆液压缸，当液压缸中供油后，该液压缸的缸体沿着两端对称的圆柱形的导向杆做水平外伸或收缩，带动机械手的末端执行机构随之外伸或收缩。②抓紧与松开。末端执行机构的前端的液压缸为夹紧缸，它可驱动推杆执行平移，推杆靠圆柱销安装在两个手指上的滑槽之中，圆柱销可以在滑槽中进行往复的移动，随着夹紧缸的活塞杆的伸缩，两个手指就绕着它与手支架上固定的两个铰销作为支点进行回转运动的动作，这样就可以实现了机械手用来夹紧工件和松开工件的动作。③腰部的旋转。底座固定的是齿轮齿条摆动液压缸，机身内的转动轴与上端的转动头以花键紧密配合在一起，这样轴的转动就带动转动头以及臂部和手部一起做回转运动。