多工序机械手结构设计及有限元研究

蔡晓宇 韩博学

摘要：机械手是一种模仿人类手臂，并通过编程，来完成搬运、抓取、操作等预期作业的自动化装置。而多工序机械手有着占用空间小、功能多样化等特点，能更好地进行生产操作。本文根据多工序机械手的主要功能，进行了多工序机械手的结构设计，并在此基础上对其进行有限元研究，为制造企业提供参考。

关键词：多工序机械手;结构设计;有限元

引言：随着近几年社会的进步和经济的高速发展，制造业的生产装置也在变得智能化和机械化，多工序机械手在制造和生产中的应用也变得越来越广泛。因此，对于多工序机械手的结构设计应该不断进行探索和创新，并对其进行有限元的研究，进而提高制造和生产的效率，推动我国制造业的稳定成长。

一、多工序机械手主要功能

目前，我国大多数企业在制造和生产中所使用到的智能机械设备种类繁多，但是，这些智能机械设备所包含的功能却很单一，很少有一台智能机械设备可以实现单独完成制造生产环节中的多道工序。而多工序机械手，是在同一台智能机械设备上，可以利用多种工序，来进行制造生产所预留的作业，进而实现一台智能机械设备可以完成多台智能机械设备的工作。这样一来，不光减少了制造企业中，生产设备的占地面积，有效地利用了生产线所占用的空间;还能提高生产工作效率，使制造企业的制造生产工作向智能化、自动化的方向发展。因此，对于多工序机械手的设计，要尽可能的实现对于其内部配件，可以灵活地安装和拆卸;同时还可以在多工序机械手中增加换刀系统，并增加推进系统来对换刀系统进行辅助工作，使多工序机械手可以自动更换刀具以及装配或拆卸配件，让多工序机械手功能更加完善。这样一来，多工序机械手在进行操作时，可以加快制造生产的速度，进而更好地提高制造企业生产效率。

二、多工序机械手的结构设计

（一）工作空间

工作空间是衡量多工序机械手工作技术和性能的一项重要指标。首先，对于多工序机械手，虽然要增加其工作的范围，但多工序机械手的前端如果过于长或者过于重的话，会大大降低多工序机械手的稳定性;其次，要严格遵循制造生产空间的最优原则，也就是说，在可以保证多工序机械手完成预留作业的前提下，尽可能地缩小其在生产线中所占用的空间。另外，为了可以更好地完善多工序机械手的换刀系统，除了要考虑工作空间的大小、形状之外，还应该重点考虑多工序机械手的内部传动系统中的传动效率，来对多工序机械手进行更加科学的结构设计[1]。

（二）整体结构

对于多工序机械手整体结构的设计，一定要保证科学、合理。在对多工序机械手结构进行设计时，对于多工序机械手各个机械臂的长度、宽度、内部工件的选型以及传动内部装置的选择等因素，都需要进行详尽、充分地思考和决定。因此，在传统机械手的基础上，对其进行多工序机械手的改良和设计，应该尽可能地将多工序机械手的关节、接口、传统内部装置等部分进行简化改造，这样一来，可以更好地提高多工序机械手的准确性以及稳定性。

（三）换刀系统

相比较与传统的机械手，多工序机械手在结构设计时，在机械臂前端内增加了一个换刀系统。首先，在机械臂前端添加一个双孔的换刀架，并在刀架上放置可供换置的刀具，该装置是将换置刀具进行左右平移，进而改变刀具的位置，以此来运转多工序机械手的换刀系统。

在机械手前臂和换刀架的前端之间，可以增加一个推杆，当进行换刀工作的时候，由推杆将换刀架上的换置刀具推到多工序机械手的操作位置，并且进行自动化的安装;接着，推杆返回到原位，以便更快速的进行下一次的换刀工作。在多工序机械手处于工作状态时，可以增加一个固定装置，来使换置刀具在多工序机械手前端自动安装时，可以更加稳固。除此之外，换置刀具在装配时，还要在多工序机械手操作位置的前半部分安装一个装卡卡盘，主要目的是为了固定换置刀具，以防止工作时，刀具的快速运转由于没有固定力而造成的刀具不稳定或脱落。

（四）传动系统

若想完善多工序机械手的传动系统，需要配合相应的传动方式，例如：气压传动、机械传动、电气传动等方式。将多工序机械手极其底座的活动范围进行360度旋转，机械臂肘关节进行上下15度的转动，机械臂腕关节进行180度转动，机械臂手部进行360度旋转。多工序机械手以气动方式作为主要驱动方式，同时附加电机驱动、机械驱动、伺服电机驱动等驱动方式。多工序机械手传动系统可以简单概括为：首先舵机带动联轴器，再通过联轴器带动底盘，进而形成底座的传动，从而实现多工序机械手底盘向水平方向进行360度的旋转。除此之外，对于多工序机械手的加工角度，可以让电机带动多工序机械手腕关节旋转180度，而刀头则向垂直方向进行360度旋转，从而满足各个加工位置的要求。

（五）前爪、刀具、自由度

首先，为了使多工序机械手功能更加完善，要确定换刀系统中所装配的换置刀具，例如：对于螺丝刀的制造生产，可以分为十字或一字的螺丝刀，因此对于多工序机械手中配置的刀具在形状上有一定的要求。多工序机械手中配置的刀具不光要和装卡卡盘进行吻合，还要保证刀具末端要与机械手能够相互配合、夹紧，以保证加工时刀具的稳定性。其次，可以以多工序机械手的关节坐标型为主，按照多工序机械手的臂部关节沿坐标轴的运动形式来进行设计和改良。这样一来，多工序机械手对于人手的工作特点的模拟就可以更加真实了。从而实现多工序机械手能够做到整体绕Z轴旋转，保证其虽然结构有一些复杂、定位精度较低，但是工作范围大，占地面积小并且能满足制造企业的生产要求。

三、多工序机械手的有限元研究

（一）单元分析

对于多工序机械手的有限元分析主要是对其进行受力上的分析，尤其是对于多工序机械手的前臂外部固定部分进行分析，因为多工序机械手前臂不光具有垂直方向的旋转功能，还要可以固定前面的机械手部分。因此，如果多工序机械手前臂部分的承重能力达不到标准的话，就会影响多工序机械手的加工精准度，同时影响整个生产线稳定性。对于多工序机械手的单元分析，主要是分析单元的节点力和节点位移之间相互关系，要求对基本单元进行准确的计算，例如：内部的位移的计算，以及应变、应力等关系式的列举和计算[2]。

（二）整体分析

对于多工序机械手的整体分析可以简单的概括为：是对其模型的各个组成部分进行分析，并建立相应的约束节点和载荷节点，从而计算出节点的位移程度。例如：可以通过改变多工序机械手的制作材料，来改变其重量，进而改变其承重能力，在这个基础上来测试出多工序机械手的受力能力和加工的精准程度。基于此，可以发现，多工序机械臂在改变质量后，其节点位移量也会随之改变，所以，为了保证多工序机械手在进行制造生产时是加工精准度，可以在多工序机械手的两侧，分别各增加一个液压杆来作为多工序机械手的支撑，这样一来，多工序机械手的加工精准度就可以得到一个有效且稳定的保证了。

四、结论

综上所述，随着时代的快速发展，制造行业也应该紧跟发展的脚步，将自身生产设备进行科学化、智能化的改良，以便于制造企業在市场的大环境中谋求生存和发展。对于多工序机械手结构的创新和改良是提高制造企业生产效率和自身竞争实力的重要途径，同时也是推动我国制造业发展的关键环节。

参考文献：

[1]   徐杭，田久乐，林炜轩.多工序机械手结构设计及有限元分析[J].自动化与仪器仪表，2017（12）：80-82+85.

[2]   芮义皓.减速器多工序机械手结构设计及成型研究[J].价值工程，2020，39（03）：191-192.

作者简介：

蔡晓宇（1989-）;性别：男，民族：满，籍贯：辽宁省丹东市，学历：本科;研究方向：机械设计制造及其自动化。