飲水機水桶自動換取機械手結構設計*

馬晟哲，蔣東霖

(長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

0 引 言

在日常生活中，立式飲水機因其價格便宜，操作簡單方便在學校、辦公室等場合普遍存在。飲水機的桶裝水容量范圍為3～20 L，家庭、辦公室常用的桶裝水一般為18.9 L，重量大約是20 kg。在飲水機換水的過程中，需要將水桶抬升至飲水機的上方，且將飲水機旋轉使其出水口朝下，插入飲水機水槽中。通過調查表示，對于1.7 m的成年男子來說，飲水機的換取工作是稍費勁的，而對于年紀偏大的中年人甚至老年人來說，換水工作是很不方便的，而且還有拉傷腰部、手部的風險，而小孩則根本無法換水。

針對上述存在問題，筆者提出了一種飲水機水桶自動換取機械手的結構設計方案，通過設計機械手的結構組成、原理及各部件的型號選擇，設計了該裝置并證實了其可靠性，解決了人力換水困難的問題，實現了飲水機水桶換取的自動化。

1 結構組成及工作原理

飲水機水桶自動換取機械手搭載在車體上，車體部分長900 mm、寬600 mm，高550 mm，該型號的主執行端初始高度為630 mm，執行高度為1 450 mm。整體由主執行端、旋轉機構、平移升降機構、副執行端四個部分組成。如圖1所示為產品總體預覽圖。

圖1 飲水機水桶自動換 圖2 主執行端抓取機構 取機械手預覽圖

此產品包含執行端機械手的設計，以及各個輔助完成整個功能的運動系統，通過各個部件的協調配合實現飲水機水桶的換取。裝置工作過程中，小車運行至飲水機位置，主執行端部件通過平移升降機構移至抓取水桶的合適位置，并通過氣缸移動真空吸盤，使吸盤牢固吸附水桶表面。升降機構開始抬升水桶，同時旋轉機構工作，旋轉主執行端，將水桶的出水孔朝下，并升至最高處[1]。小車移動，調整位置，對準飲水機的水槽后，主執行端下降，使得水桶成功安裝在飲水機上，平移升降機構配合小車反方向運動，撤出機械爪完成水桶換取。

飲水機上存在空水桶時，裝置首先取下空水桶將其立于地面，此時車體旋轉，調整位置，對準車體尾部，副執行端通過齒輪齒條配合移動到合適的位置，舵機爪工作實現空水桶的抓取，并將其運送至車體的后備箱中。完成飲水機水桶的安裝后，可帶著空水桶離開。

2 結構設計分析

2.1 主執行端

主執行端由妙德PFG120 mm真空吸盤、亞德客三桿氣缸、160 mm滾珠絲杠、滑動導桿等一系列固定件組成。能夠實現X、Y軸兩個方向的位置微調，X軸方向單邊70 mm的位置調整，Y軸單邊實現160 mm的位置調整。主執行端以軸為中心建立中心云臺，云臺上下方通過固定豎直方向的絲杠與滑動導軌，實現執行端沿Y軸移動，在中心平面上下各分布一對可沿X軸方向移動的真空吸盤，通過外殼固定氣缸，整體可沿導桿移動，進而吸附物體[2]。氣缸為三軸三桿帶導桿氣缸，實現吸盤的移動與固定。如圖2所示為執行端的機構簡圖。中心云臺長250 mm，高150 mm，上頂面至下底面長530 mm，主執行端左側至右側長度910 mm，整體可繞中心軸旋轉。

2.1.1 真空吸盤選型

執行端設計以真空吸盤吸附水桶，設水桶重量為20 kg，約產生196 N的力。設計以4個真空吸盤。擬通過公式(1)～(3)確定吸盤理論值大小。

W=C×P×0.1×F

(1)

式中：W為吸附力，N；C為吸盤面積，cm2；P為真空壓力，kPa；f為安全系數(水平懸掛為1/4以上，垂直懸掛為1/8以上)；設吸盤半徑為R，故吸盤面積C有公式(2)：

C=πR2n

(2)

通過公式(1)、(2)聯立可得公式(3)：

(3)

結合公式，W=196 N，垂直吸附重物安全率t=8%，吸盤內的真空度P=0.05 MPa=-50 KPa，吸盤的真空度安全系數為Pv=80%,吸盤數量n=4個。計算得吸盤直徑為120 mm。綜合選擇FSTE PFG120真空吸盤。

2.1.2 氣缸選型

如表1所示為氣缸出力表，設計采用4個氣缸移動真空吸盤，故P=0.5 MPa的情況下，選用缸徑為12 mm的氣缸，單個氣缸理論輸出力為55.37 N。綜合考慮最終選用亞德客缸徑為12 mm，行程為70 mm的三軸三桿帶導桿氣缸。

表1 氣缸出力表 /N

2.1.3 絲杠型號

根據絲杠直徑與載荷關系，執行端絲杠安裝方式為固定-自由式安裝(通常為垂直方向)。該安裝方式能夠適用于高精度中轉速的場合，有效減少軸承由于熱效應產生的應力[4]。一端由兩個角接觸軸承固定，另一端自由。選型過程，單邊軸向負荷定為300 N(水桶及材料自重)，安裝間距160 mm，故直徑大小在6 mm以上符合要求，綜合選擇直徑10 mm的絲杠，行程為160 mm。

2.2 旋轉機構

旋轉機構由新永泰直流無刷減速電機驅動、GFC-25×30聯軸器、V帶輸入、滾珠軸套組成。旋轉機構的主動件為直流無刷減速電機，電機運作旋轉輸出，通過聯軸器傳遞扭矩，V帶傳輸扭矩給主執行端主軸，主軸與軸套連接主執行端，軸套與升降機構第三階機架通過滾輪接觸。

圖3 旋轉機構

2.2.1 電機選型

選用的新永泰直流無刷減速電機，功率為31 W，額定電壓12 V，額定電流為0.8 A，減速比為200，空載轉速為20 r/min，負載最高轉速為15 r/min，帶動執行端4 s旋轉一圈，能夠保證桶裝水穩定的旋轉。額定轉矩為29 kgf.cm，即約為2.9 N.m，能夠轉動桶裝水以及主執行端機構。

2.2.2 帶輪及聯軸器選型

為了充分利用裝置空間，保證傳動的準確性，設計中將電機安裝在升降機構的第三階機架上，電機中心與主軸中心距離150 mm，故采用帶傳動的設計完成旋轉機構的功能，傳遞扭矩[5]。通過比對型號，GFC-20×30、GFC-20×25與GFC-25×30符合安裝尺寸且適用于電機額定功率。GFC-20×30與GFC-20×25額定扭矩為2.8 N.m，GFC-20×25額定扭矩為6N.m。為保證安全性，綜合選擇GFC-25×30聯軸器，其外徑25 mm，長度30 mm，質量為33g。

聯軸器上安裝帶輪內徑25 mm，外徑60 mm，安裝過程中，將帶輪套在聯軸器上，通過聯軸器上的頂絲固定帶輪。主軸帶輪內徑40 mm，外徑60 mm。V型帶輪型號IN×2 215 10×475，寬帶為8mm，凹槽角為34°，深度11 mm。帶輪傳動比為1，電機傳遞給主軸的扭矩為2.9 N.m，轉速為15～20 r/min。

2.3 平移升降機構

平移升降機構由帶滑軌的三階機架、液壓缸、v型帶輪、滾子鏈組成。升降機構一階機架高為550 mm，二階機架長度630 mm，三階機架長度256 mm。車體前端有移動滑軌，機架通過液壓缸可實現水平方向的移動，可移動長度為240 mm。第一級機架與滑軌配合，平移液壓缸推動第一級機架在車體前端前后移動。第二階機架通過升降液壓缸實現抬升。第三階機架與第二階機架通過滑軌配合，在滾子鏈的拉升下，升降主執行端。滾子鏈輪子齒數為27，鏈節數為170，鉸鏈兩端固定在第二階機架上，可在第二階機架抬升時，同時抬升主執行端。

圖4 平移升降機構

2.4 副執行端

副執行端輔助主執行端完成整個飲水機的換取過程。副執行端是由達盛DS3225舵機、金屬抓手構成的舵機爪，齒輪、齒條構成的平移機構以及可旋轉的傳送帶。副執行端的行程為600 mm，舵機可控角度為0～180°副執行端通過舵機爪抓取空水桶，舵機爪兩端通過齒輪嚙合，執行端部位由可旋轉的履帶組成。抓手兩端各有一個舵機，可旋轉履帶，將空水桶略微抬升。副執行端可通過齒輪齒條機構移動，將空水桶放于后備箱。

達盛DS3135型號的舵機。其工作電壓為5 V，待機電流4mA，空載轉速為0.15s/60°，堵轉電流為1.9A，可工作的角度為0°～180°，負載扭矩為2.1 N.m，可正常抬升空水桶。舵機一是用于驅動齒輪旋轉，通過齒間嚙合帶動夾爪，完成抓取作用，二是驅動履帶，通過履帶與桶間的摩擦力略微提升空水桶[6]。所選用的舵機型號能夠滿足工作需求。

圖5 副執行端抓取機構

3 設計應用效果

該設計能夠有效實現飲水機水桶的自動換取，為用戶換水提供便利。在工作過程中，小車可靈活運行至飲水機位置，進行定位。平移升降機構模擬叉車工作方式能夠移動執行端至抓取位置，其三級機架可供二級抬升，在保證升降高度下，可減小占地空間。主執行端通過氣缸移動真空吸盤，在各個方向可準確的調整位置，可適應多種型號的水桶換取。各部件易于安裝，可及時更換或維修相應的部件，操作過程簡單，適用人群廣泛，可推廣至多種場合，免去人力負擔。

4 結 語

該設計綜合考慮了立式飲水機使用過程中存在的問題，以及市面上桶裝水的規格尺寸，提出了飲水機水桶自動換取機械手的總體設計方案，設計了主執行端、旋轉機構、平移升降機構、副執行端以完成換水流程，分析計算了各個部件的型號參數與設計指標以確保整體結構的可行性。該裝置為桶裝水的換取提供了便捷的新方式，為用戶提供了便利。