多自由度液压机械手设计

2021-10-09李春雪李环宇谢文庆宋子博

内燃机与配件 2021年19期

李春雪李环宇谢文庆宋子博

摘要：机械手的应用具有三点重要意义。第一点：可以有效的提高生产过程的自动化程度。同时可以提高生产效率并降低劳动成本。第二点：可以避免工人在恶劣的环境下工作，像辐射、有害气体、高温等环境下交给机手来完成，大大提高了工人的安全性。同时可避免因操作疲劳而造成的安全问题。第三点：可以将较繁重的工作交给机械手来完成，工人向更具有技术要求的机械手维修、调教等工作转型。加速工业自动化的进程。

Abstract： The application of the manipulator has three important meanings. The first point： can effectively improve the degree of automation of the production process. At the same time， it can improve production efficiency and reduce labor costs. The second point： It can prevent workers from working in harsh environments， such as radiation， harmful gases， high temperature and other environments， to be completed by the operator， which greatly improves the safety of workers. At the same time， safety problems caused by fatigue of operation can be avoided. The third point： You can hand over the heavier work to the manipulator to complete， and the workers will transform to more technically demanding manipulator maintenance， adjustment and other tasks. Speed up the process of industrial automation.

關键词：液压式机械手;结构设计;强度校核

Key words： hydraulic manipulator;structural design;strength check

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0082-02

0 引言

对某型5轴数控铣床和车床结构和参数进行了分析，对设计的关键点进行了研究，以此为基础，提出液压式上料机械手的功能要求，并对比一般液压式上料机械手，完善了其功能，然后对总体进行设计。将液压式上料机械手整体划分为四个主要部分：抓紧装置、回转装置、伸缩装置、旋转装置。在研究过程中，进一步设计了各部分的主要尺寸、细节和材料。通过力学分析所设计的液压式上料机械手的强度和应变并进行强度校核，验证其可靠性。

1 手部设计

在进行液压式上料机械手的外形尺寸和选择材料之前，需要对液压式上料机械手需满足的要求进行分析，然后再根据这一些要求得出液压式上料机械手的整体设计。本章的内容为液压式上料机械手的关键点分析和功能性分析开始，决定液压式上料机械手作用，再根据液压式上料机械手的功能进行设计分析，最后总结出液压式上料机械手的总体设计。液压式上料机械手是针对该上下毛坯料设计的专用设备，其应实现的功能也应该是根据该毛坯料的相关参数来确定。第一个设计的关键就是毛坯料的尺寸。需要抓取的工件外形尺寸长度为，工件估算工外形尺寸为46.5×46.5×400mm，工件材料为铅，密度为11340

kg/m3，质量约有10kg。抓手需要在抓紧时两指间距离不得大于46.5mm，并需要足够大的抓紧力来抓取工件，使其在液压式上料机械手运动过程中不会产生划落，如图1所示为手部抓紧状态。但抓紧力又不适合过大，过大会对工件表面产生划伤。同时液压式上料机械手在张开状态下张开的角度要足够大，两指之间开合距离要大于工件高度，并不与数控铣床或数控车床产生干涉。第二个设计的关键点就是尽可能的减小抓手的重量和体积，抓手处于腕部的最前端，机械手在运动时手部必须紧抓工件，由于机械手在运动时状态变化很多，所以手部结构需简单，并且质量不易过重。

1.1 受力分析根据机械手结构进行受力分析，绘制如图2受力分析草图。

夹紧力计算：为了保证机械手在运动工程中保持工件的稳定性，所以必须对工件进行受力分析，在夹紧工件的过程中，工件主要受两个力，一个是在静止过程中因重力产生的静载荷，另一个是在运动过程中工件及机械手产生的动载荷。根据分析可得：

其中：K——安全系数，这里取2;

a——手指的中心距，这里取23mm;

b——手指长度，这里取70mm;

PX——轴向力;

μ——手指与工件之间的摩擦系数，这里取0.3。

1.2 驱动液压缸设计区分机械手的方法有很多，本文将使用液压驱动方式。与其他驱动方式相比，液压驱动具有四点优势，第一点：安装空间要求不受严格的控制，能构成其他驱动方式难以组成的复杂驱动系统[1]。第二点：液压驱动力的传动较为平顺均匀。第三点：易于实现远程控制和过载保护。第四点：液压所使用的元器件，标准化程度高，不必花费过高的定制元器件的费用，有利于降低整体成本。根据计算驱动力FP需大于830N才能在运动过程中保持工件不滑落。故由液压缸负载工作压力，选取工作压力为0.4MPa。

如图3所示：当液压上料机械手需要加紧工件时，需向手部的左腔进行注油。需要张开放开工件时，需向右腔进行注油。

1.2.1 计算左腔推力：推力=π×（缸径÷2）2×液压压强得

根据机械设计手册，缸内径取50mm，则活塞缸d取28mm。

通常情况下液压缸缸筒壁厚与内径之比不大于，所以它的壁厚可以根据薄壁筒公式，按照液压前度来计算，壁厚不得小于1.3mm，但由于缸体需连接手部及工件，故壁厚取取5mm，则缸筒外径为：60mm。

1.2.2 手部右腔流量：液压缸的流量=液压缸活塞横截面×速度

S——液压缸活塞横截面;

V——速度，這里取60mm/s;

ηm——机械效率取：0.85～0.9，这里取0.85;

ηv——容积效率取：0.7～0.95，这里取0.85。

手部工作压强：

2 腕部设计

2.1 关键点分析回转装置主要是连接手部和伸缩装置的部件，它的作用是更加方便对工件进行不同方向，不同角度的进行夹取或放置，也是液压上料机械手的重要组成。