拖拉機曲軸生產線清洗機械手的研究設計

張洪山+張福學

摘要：闡述了拖拉機曲軸生產線用清洗機械手研究設計的重點內容，包括設計的目的、方案構思、輕量結構、強度校核、附屬部件的設計、三維建模等。

關鍵詞：曲軸；清洗；機械手

中圖分類號：TG751.3文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.008

1設計的目的和意義

拖拉機可應用于國民經濟的各個部分，是現代化農業生產所必備的動力機械，在農業生產中作用大、用途廣。

拖拉機的使用在我國已有近百年的歷史了，它的發展和使用促進了農業生產的發展，而現代化農業的發展又促進了拖拉機技術的進步和完善，以不斷提高勞動生產率、改善勞動條件，從而獲得更大的經濟效益。

我國的拖拉機從無到有，發展異常迅速，但與國外相比起步較晚，技術還比較落后，無論在產品的質量、數量上，還是在品種上與發達國家相比，都有一定的差距。

近50年來，國外拖拉機的功率日趨增大，技術水平越來越高，對生產的要求，特別是對生產中各零件的要求更是越來越高，在零部件清潔方面大多采用自動線清洗或機器人清洗，而機器人清洗是高于自動線清洗的嶄新的技術，在機器人清洗設備中，機械手的設計是很關鍵的部分，下文主要介紹一下曲軸抓取機械手的研究和設計。

2設計方案構思

2.1抓取工件位置及定位方案的確定

機械手抓取工件的原則是不傷及加工精度較高的主軸頸和連桿軸頸，定位穩定可靠，不遮擋工件主要部位的清洗，保證清洗設備中高壓水流能夠直接沖擊主軸頸和連桿軸頸表面。根據這一要求和曲軸的具體結構，確定以曲軸兩端的中心孔定位并兩端用夾緊力夾緊，這樣即限制了曲軸在x軸、y軸方向上的移動自由度和轉動的自由度，又能保證工件牢固可靠，在機械手緩慢移動和快速移動中工件曲軸不會松脫。上訴夾緊定位也限制了z軸移動的自由度，而z軸轉動的自由度還處于自由狀態。被夾緊的工件—曲軸有兩端，即法蘭端和長軸端，在法蘭端面有個定位銷孔，在該孔中插入定位銷，定位銷的另一端與夾緊手臂固定，曲軸轉動的自由度也被完全的限制。

2.2機械手整體結構的方案構思

欲實現上文中確定的定位和夾緊的功能，需要有兩只機械手手臂，并且能夠移動，以便實現夾緊時曲軸在機械手的操縱下完成直線移動和曲線運動的目的，同時，機械手又能松開曲軸放置在指定的位置，實現抓取另一只曲軸繼續清洗的功能。

能夠實現這種移動的動力原件有多種，如氣爪、氣缸、油缸、電缸等。在沒有特殊要求的情況下盡量采用氣缸，因為它具有成本低廉、結構簡單、體積小、重量輕、能源清潔方便等優點。

兩只手臂都需要移動就需要兩只氣缸，如果只需要一支手臂移動只需要一只氣缸就可以滿足要求。由于機械手是由機器人帶動工作的，而機器人可以在一定的范圍內做任意動作，控制機械手到達任意位置，因此在機器人帶動機械手抓取曲軸時，可以機器人帶動一只固定的機械手臂靠近曲軸的一端，之后另一只手臂在氣缸的驅動下夾緊曲軸的另一端，這樣只需要一只氣缸即可完成要求的動作。

設計這種機械手需要有一個相對于機器人固定的部件，我們稱它為連接塊，它前端與機器人的連接盤連接，下端與機械手的固定手臂連接，也與氣缸固定連接，活動的機械手臂與氣缸連接，并隨氣缸做直線移動。

氣缸在夾緊曲軸時，兩只機械手臂受彎曲應力的作用，所以兩個手臂在設計時要有一定的抗彎強度和較好的剛度。而活動手臂的彎矩會理所當然的傳遞給氣缸，至使氣缸也承受較大彎矩的作用。而氣缸本身不具備抵抗彎矩的能力，只能承載軸向載荷。解決的辦法是增加一組直線移動導軌，導軌的一端與連接塊固定，另一端與活動的機械手臂固定。這樣活動的機械手臂的彎矩直接傳給了直線導軌，直線導軌的主要作用就是承載彎曲應力的作用，把活動手臂的彎矩通過導軌傳給連接塊。方案構思如圖1所示。

1.機器人連接盤 2.連接塊 3.機械手固定手臂 4.氣缸 5.機械手活動手臂 6.定位銷 7.曲軸夾緊頂尖 8.曲軸

3整體結構建模

該機械手是裝載于機器人連接盤的動作部件，機器人實現將機械手移動到所需要的位置，機械手實現抓取目的工件。應用以上構思的方案，通過計算機三位軟件建模，得到拖拉機曲軸生產線抓取曲軸清洗機械手整體構造如圖2所示。

4機械手手臂的輕量化設計

機器人以及氣缸所能承受的載荷是一定的，如果機械手連同曲軸的重量較大，就需要選擇較大的機器人和氣缸，這就需要更高的成本投入，也浪費電力、氣源等能源。在設計時，曲軸的重量是不可以改變的，但是，機械手臂的重量可以在設計時采取一些措施，使其在保證要求的前提下，盡量減少實體材料。手臂主要承載彎矩的作用，如果設計成實體結構，顯然是不合理的，本設計中采用了類似于工字鋼結構的截面，在長度方向上兩端尺寸不等，近似于等強度梁，在工字鋼底板的中性層附近進行挖空處理，在保證強度和剛度的前提下，盡可能的減少重量。

5氣缸的選擇

已知條件：生產車間氣源壓力為p=4 kg/cm2，曲軸重量18.6 kg，兩端頂尖孔角度60°，中心孔深度23 mm，安全系數K=3～4，兩端頂尖頂端距端面留出15 mm的距離。

5.1氣缸行程的選擇

氣缸行程h=23×2+15×2=76 mm

查表，按氣缸標準，選擇氣缸行程為100 mm。

5.2氣缸直徑的選擇

根據曲軸兩端中心孔的參數，計算夾緊力

F1=18.6×10=186 N

F2=F1·ctg30°=186×1.732=322 N

F=K·F2=（3～4）×322=966～1288 N

選擇直徑為63 mm的氣缸，夾緊力為endprint

f=3.144·d2·P=3.144×6.32×4×10=1247 N

符合夾緊力的要求。

5.3選擇氣缸型號

根據以上計算結果，結合清洗設備對動力原件的要求，選擇型號為CNA2F63-100防水帶端鎖氣缸即可滿足使用要求。

6機械手臂變形量校核

已知條件：氣缸夾緊力P=1247 N，機械手臂懸臂長度L=31.8 mm（由結構設計確定），材料的彈性模量E=2×105 kg/cm2，手臂截面為近似工字型，由兩塊相同并鏡像的底板和一塊腹板組成，每塊底板根部均為矩形截面，其尺寸為100 mm×12 mm，要求夾緊處的彎曲變形量小于0.05 mm。

校核如下：

腹板的抵抗變形的能力可以忽略不計，只計算兩塊底板的變形量，矩形截面的軸慣性矩為

J=h12·b3，每塊底板的軸慣性矩為

J=h12·b3=1.212×103=100 m4，

夾緊處機械手臂的最大變形量為

Y=p2EJ·L3=12472×2×105×2×100×3183=0033 mm

0.033 mm<0.05 mm，滿足設計要求。

7輔助零部件的設計

7.1氣缸防護設計

氣缸作為比較精密的部件，在曲軸清洗操作中，為了避免被清洗掉的顆粒、鐵削等雜物沖擊，避免高壓清洗的水流沖擊進氣管接頭或調速閥等緣故，必須加以防護。因此設計了氣缸防護罩。

7.2檢測裝置設計

機械手抓取工件后，由機器人帶動完成其他的動作，在機器人動作之前，必須檢測工件是否準確的被抓取，避免由于氣缸卡滯、氣源故障、不正常的干涉等因素所導致的氣缸移動不能到位、工件夾緊不可靠等不能正常夾緊抓取的情況發生。其次，機器人將前一工件放置到指定位置后，需要再次抓取另一工件進行清洗作業，此時需要確認氣缸是否完全伸出，機械手是否完全張開，此時也必須進行檢測。所以，機械手需要有兩個位置的檢測，即氣缸完全收回、機械手處于正確的抓取狀態，以及氣缸完全伸出、機械手處于完全張開的狀態。

這兩種檢測均屬于位置檢測，位置檢測的原件有行程開關、光電開關、接近開關、磁性開關等多種，本機械手選用接近開關作為位置檢測的原件，因為它具有防水、價格較低、設計結構簡單、檢測準確度能滿足使用要求等優點。具體結構布置如下，在氣缸防護罩上設計兩個孔用來安裝接近開關，兩個孔的距離等于氣缸行程，設計檢測架，使其一端固定在機械手的活動手臂上，另一端裝有檢測塊，檢測塊在氣缸完全收回時與第一個檢測開關對齊，在氣缸完全伸出時與第二個檢測開關對齊。

由于接近開關的電線已經接入了機器人的控制系統，在氣缸收回和氣缸伸出時均能檢測到位置信號，可以作為機器人帶動機械手動作的依據，以保證在曲軸清洗的動作中不會出現異常的故障。避免意外事故的發生。

8防止銹蝕設計

機械手是在機器人的驅動下進行各種清洗作業的，清洗液中的主要成分是水，雖然清洗液具有防止工件銹蝕的成分，但機械手長期在高溫的清洗液中浸泡和沖擊，也必須做好防止銹蝕的設計。

該機械手零件設計時，氣缸防護罩等薄板類零件均采用304不銹鋼材料，具有很好的防銹作用；曲軸兩端的頂尖采用碳素結構鋼制造，表面拋光后采用鍍硬鉻處理，具有強度和剛性較好、防銹、耐磨性好等優點；其它結構件一般采用結構鋼制造，并噴砂后經過鎳磷浸鍍的表面處理，這種處理工藝具有防銹效果好、鍍層能較好的滲透到零部件的角落和縫隙中，是一種很成熟的防銹工藝。

9細化數模，完善結構設計

完成以上輔助設計和精量化設計，機械手臂結構具體化并輕量化，氣缸按實際結構尺寸繪制數模并添加連接，增加氣缸防護罩和位置檢測裝置，重新繪制機械手數模如圖3所示。

10結論

按照以上數模繪制工程圖，編制機械加工工藝，購置氣缸、接近開關等外購件，加工并裝配出試驗樣機。通過一系列試驗和測試，該樣機完全可以滿足拖拉機曲軸生產線清洗機械手的使用要求，說明設計方案合理、可行。

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