应用于物料搬运的电磁式机械手设计
2017-10-21蔡德帅胡笑奇
蔡德帅 胡笑奇
摘要：针对工业现场常见的物料搬运等问题，本文进行了物料搬运机器手的设计。首先，分析了抓重、自由度、运动速度等主要参数，确定了利用电磁原理进行重物夹持的搬运方式，然后进行了手部结构的分析，最后确定了线圈匝数等设计参数。
关键词：搬运，机器手
一、前言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。除了加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化和自动化。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，在一定程度上能够取代人力，减小产业工人的劳动强度，提高劳动效率，具有较好的经济效益和社会效益。
二、总体设计思路
根据一般企业的需求，当所搬运的物体超过30公斤时，将会引起产业工人的疲劳，因此本文将重物搬运至运输小车上作为设计的目标。本课题采用的坐标系为圆柱坐标系，包括Z轴升降、Z轴回转、Y轴伸缩，三方向共同作用完成物料搬运。
三、机械手的主要参数
（1）抓重（或臂力）。根据企业设计需要，本文将机械手的抓重设置为80kg。
（2）自由度数和坐标型式。根据以上分析我们设计的机械手为三自由度、圆柱坐标式的简易轻型工业上、下料搬运机械手。
（3）运动速度。根据可提要求，设计机械手的最大平移速度为 ，最大转动速度为。为。以此满足生产需求、节约资源，选择最佳方案。
（4）行程范围。本课题要求物料机械手的单向伸缩行程为，回转角度范围，X方向行程范围，Y方向行程范围。
（5）动作过程及时间分配。设计出机械手大概的动作过程以及时间分配：1）水平伸出需；2）竖直下降需；3）吸取物料需；4）竖直上升需；5）水平收缩需；6）逆向转动需1s；7）竖直下降需；8）松开物料需；9）竖直上升需；10）顺向转动需1s。
（6）定位精度。机械手精度太低就完不成所需功能，精度太高成本又会增加。位置设定精度及重复定位精度，课题要求机械手定位精度为到之间。
四、手部结构分析与计算
本设计采用电磁式手部结构，其工作原理为，当电磁铁通电时，电磁铁电路构成回路，此时电磁铁具有磁性可以吸起要搬运的工件；当手臂移动到所需要的位置时，此时断开电磁铁电路，电路短路，电磁铁失去磁性同时手部松开工件。
手部吸起工件时所需要的力称为握力，握力的大小与被夹持工件的重量、中心位置以及夹持工件的方位有关系，将握力假想为作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以N表示。
电磁式手部握力的计算，只需根据工件的重量进行分析，本设计中机械手的工作方式是手指垂直位置夹紧水平位置放置的工件，并且是平面上吸取物料。所以应选择的计算公式为：
（1）
式中，M---物料重量（公斤）
g---重力加速度
由
所以
即 吸力为800牛顿
考虑到工件在传送过程中产生的惯性力、震动以及传力机构效率的影响，实际的驱动力 为：
（2）
式中 η--手部的机械效率，一般取（）；
K1--安全系数，一般取（）；
K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似估计为（a为抓取工件时运动最大加速度，g为重力加速度）
利用电力系统，所以传动效率选择 ，。
若被抓取工件的最大加速度取时， 则 。
所以
即
五、电磁式手部电磁铁参数计算
因为实际所需吸力：
所以电磁铁吸力：
電磁力计算公式：
（3）
式中 ——真空导磁率为
B——磁通量
S——线圈面积
所以
（4）
式中： H—磁感应强度
B—磁通量
（5）
式中： I—线圈中的电流
W—线圈的匝数
L—线圈的长度
（3-6）
公式中： U—线圈两端的电压
R为线圈的电阻
工业用电U=380V，经查资料，起重电磁铁线圈中通电的最大电流值为0～80A，本设计中取电流为50A。
综上所述：该电磁铁中的线圈匝数 ，取线圈匝数 W=4920匝
六、结语
本设计根据企业中搬运物料的需求，分析了各种夹持方式的优缺点，选择了电磁式的夹持方式，以80公斤的搬运重物为例进行了手部机构分析，计算了电磁吸力、电磁铁线圈匝数等重要参数。
项目资助：浙江省新苗人才计划资助（编号2016R431004）
（作者单位：丽水学院工学院）
