基于陶瓷托輥的搬運機械手設計

楊立潔，牛清娜

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

基于陶瓷托輥的搬運機械手設計

楊立潔，牛清娜

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

陶瓷材料的托輥在壓制軸承套過程中，托輥坯料的搬運過程是一項重復度極高的工序，本文結合實際生產中圓形托輥的軸承套壓入過程，設計了一個專用機械手。詳細介紹了機械手各部分的設計及計算過程，最后對該機械手的工作原理進行了闡述。該機械手的應用不僅可以節省人力，且有利于提高生產效率，節約生產成本，進一步實現托輥的自動化生產。

托輥；機械手；機械臂；機身；末端執行機構

機器人技術涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等多方面交叉學科， 可在農業、水下、航空、航天、工業等多領域應用。在農業機械化中，研制出了用于蘋果、草莓、黃瓜、蘑菇等的果蔬采摘機器人，用于蔬菜嫁接、果樹分選、農田作業等的作業機器人等；在工業機械領域，機器人已應用在焊接、噴涂、裝卸、運輸等復雜危險、重復的作業中。工業機械手在工業界廣泛應用，在機器人中占很大比重。

為減小輸送帶的運行阻力和限制輸送帶的垂度，輸送帶需要通過托輥組進行支承。托輥組通常由若干個輥子構成，輥子由軸承、軸、密封、端蓋和管體等構成。鋼制托輥由于生產制造簡便且成本較低而被廣泛應用各行業中，然而鋼制托輥嚴重的磨損問題不容忽視，往往托輥軸承未損壞而托輥已經被磨破。

陶瓷托輥是一種耐磨的圓柱體工件，其加工過程主要包括注塑、吊燒、切割、磨削、壓入軸承套等工序，其中壓制軸承座過程中托輥坯料的搬運過程是一項重復度極高的工序，目前主要采用人工的方式實現。本文結合實際生產中圓形托輥的軸承套壓入過程，設計了一個專用機械手，用于實現陶瓷托輥的搬運。

1 機械手的總體設計

本文設計的機械手應用在陶瓷材料托輥毛坯的軸承套壓入工序中。該壓制過程是通過裝配壓力機實現的，按照規定的要求完成以下的動作。第一步，先把環形軸承套放入到托輥內的凹槽內；第二步，機械手從原點伸出手臂，機械手的執行末端到毛坯放置位置抓取工件；第三步，機械手抓緊工件后，轉動機身，將毛坯轉到壓力機工作臺位置；第四步，壓力機的沖頭發生動作把軸承套壓入毛坯內，形成過盈配合；第五步，壓力機的壓力機沖頭返回，機械手的執行末端松開工件，機身旋轉，手臂縮回后返回原位。由上述分析可知，機械手實現的動作為：伸出—抓緊—旋轉—松開—旋轉—縮回。以上就完成了一次壓入裝配，之后重復上述動作。根據實現功能進行機械手的參數選取，最大抓舉重量為30 kg，手臂最大中心高為400 mm，伸縮行程為300 mm。

2 機械手結構設計

機械手的整體結構主要由機座、機身、手臂及末端執行機構構成。

（1）末端執行機構。機械手的末端執行機構是實現抓取的構件，即機械手的手部。因為被抓取的工件的形狀、大小、重量區別、材料不同以及表面形狀的不同等，使得機械手的手部的結構也不盡相同。因為機械手的抓取對象不同，實現原理不同，因而設計出來的末端執行機構的結構形態也是不一樣的。最常用的是鉗爪式、磁吸式和氣吸式，當然還有一些特殊的形式。由于這次設計的機械手需要抓取的托輥毛坯是圓形的，所以選用了鉗爪式的外卡式結構，機械手末端執行結構的指端采用V型手指，不僅適合去抓取圓形的工件，且具有可靠的夾緊穩定性，工作時誤差也較小。該末端執行機構包括推桿、手架、圓柱銷及機械手指等。機械手驅動推桿向左移動時夾緊工件，當驅動推桿向右移動時，機械爪松開工件。設P為作用在推桿上的驅動力，N為機械手指的夾緊力，一般N=(2?3)G，機械爪對圓柱銷的的作用力為P1、P2 (且P1=P2，根據圓柱銷的平衡條件∑F=0可知：

又知工件對機械爪的反作用力大小等于夾緊力N，按照機械爪的平衡條件0M=∑可得：

因為

所以

式中：a——機械爪回轉支點到對稱中心線的距離；

b——機械爪回轉支點到“V”型鉗口中心線的距離；

α'——滑槽方向與兩回轉支點間連線的夾角。

所以由公式（4）可得驅動力為

根據實際情況

式中：η——手部機構的機械效率(0.85～0.9)；

K1—— 安全系數(1.5～2)；

K2——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。由式（6）可得驅動力為600 N。

（2）臂部的結構。由于本次設計的機械手只實現伸縮，無需彎曲的功能，故其僅有一個自由度。因此本設計中的機械手臂部結構極為簡單，重量較輕，因此，選用雙導向的桿式導向結構。另個導向桿分別布置在兩側，中間為伸縮液壓缸，這種方式不僅能夠承受較重的載荷，且剛性較好。在機械比的前端安裝了支撐板，用于安裝液壓缸，該液壓缸為驅動機械爪的夾緊與松開。臂部在作水平的伸縮運動的時候通過氣缸進行驅動，液壓缸的驅動力F為克服機械臂伸出時的摩擦阻力，這個阻力包括液壓缸與活塞之間產生的摩擦阻力和導向桿與支承滑套之間產生的摩擦阻力等，還要克服開啟時產生的慣性力等。工件等運動件的總質量為m，工件與導軌的摩擦系數為f，所以

式中：θ——阻力負載。

經計算，液壓缸的驅動力F為900N。

（3）機身及機座機構的設計與計算。機械手的機身是機械手的關鍵部件，一方面機身要與支撐底座相連，另一方面還要連接機械手的其他部件，實現整體的連接、支撐，因而，在進行機身設計中，需要注意根據機身的受力、整體結構、工作要求進行整體考慮，在設計時要注意，根據受力的情況不同來選擇合適的機身形狀及機身輪廓，盡量增大支撐和接觸剛度，結構盡量緊湊，傳動系統盡量剪短。本文設計的機械手機身僅僅實現旋轉運動，因此設計簡單，結構也不復雜。選用齒輪齒條擺動液壓缸來控制機械手的回轉運動，需要計算回轉力矩。回轉運動驅動力矩包括兩項：回轉部件的摩擦總力矩；自身運動部件和其攜帶的手臂、手部和工件等。故驅動力矩可按下式計算：

式中：mM——總摩擦阻力矩()N mg；

Mg——各運動部件總慣性力矩(Ng m)；計算得到總的回轉力矩Mq=135( Ng m)。

（4）機械手總體結構。在完成了機械手的各個部件設計后，得到的機械手總體結構。機械手的各個動作的實現過程為：①手臂的外伸或收縮。手臂上的液壓缸為雙作用的單活塞桿液壓缸，當液壓缸中供油后，該液壓缸的缸體沿著兩端對稱的圓柱形的導向桿做水平外伸或收縮，帶動機械手的末端執行機構隨之外伸或收縮。②抓緊與松開。末端執行機構的前端的液壓缸為夾緊缸，它可驅動推桿執行平移，推桿靠圓柱銷安裝在兩個手指上的滑槽之中，圓柱銷可以在滑槽中進行往復的移動，隨著夾緊缸的活塞桿的伸縮，兩個手指就繞著它與手支架上固定的兩個鉸銷作為支點進行回轉運動的動作，這樣就可以實現了機械手用來夾緊工件和松開工件的動作。③腰部的旋轉。底座固定的是齒輪齒條擺動液壓缸，機身內的轉動軸與上端的轉動頭以花鍵緊密配合在一起，這樣軸的轉動就帶動轉動頭以及臂部和手部一起做回轉運動。

3 結語

本文詳細介紹了機械手各部分的設計及計算過程，給出了末端執行機構、手臂及機械手的三維結構圖，以及夾緊、伸縮和旋轉的力及力矩，并對機械手的工作原理進行了闡述。本機械手在托輥軸承座壓入工藝的應用，不僅可以節省人力，且有利于提高生產效率，節約生產成本，有利于進一步實現托輥的自動化生產。

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TH222

A

1671-0711（2017）03（上）-0108-02