投本機(jī)械臂設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件淺析

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摘要:本文針對(duì)一般印刷廠生產(chǎn)工藝流程中要將書(shū)芯從自動(dòng)線上轉(zhuǎn)送到圓盤(pán)包本機(jī)的需要，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)機(jī)械臂來(lái)滿足其自動(dòng)投本的功能。本文從整體工藝需求出發(fā)，按自由度需求、驅(qū)動(dòng)方式、空間限制、包本機(jī)對(duì)接規(guī)格等確定整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)路徑及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析；利用軟件對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部位進(jìn)行數(shù)字化建模和檢驗(yàn)；依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)機(jī)械臂；設(shè)計(jì)；選型；分析

0引言

將流水線上末端送來(lái)的書(shū)芯等轉(zhuǎn)移到圓盤(pán)包本機(jī)，這是目前一般印刷廠的工藝流程中存在的人工作業(yè)環(huán)節(jié)之一。向圓盤(pán)包本機(jī)投放書(shū)芯的高頻作業(yè)易使工人產(chǎn)生疲勞并可能出現(xiàn)投本反向、錯(cuò)位等問(wèn)題，造成生產(chǎn)成本的上升。頻繁的重復(fù)操作正是自動(dòng)機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的工位，現(xiàn)在應(yīng)用三維建模以及軟件仿真驗(yàn)證來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)工作成為主流設(shè)計(jì)方法。

1應(yīng)用環(huán)境及要求簡(jiǎn)述

通常情況下廠房干凈平整，待裝書(shū)芯經(jīng)傳送帶放置于置物架上，工人將書(shū)芯投放到圓盤(pán)包本機(jī)夾口內(nèi)完成包本工作。以中小型印刷廠普遍使用的包本機(jī)工作要求為例，機(jī)械臂的主要任務(wù)是將A4尺寸書(shū)芯（厚度約10~20mm）從置物架夾取并轉(zhuǎn)移到期望位置。設(shè)書(shū)芯抓取架高度約900mm，置物架、包本機(jī)和人三者之間的布局如圖1工作布局圖所示?？紤]設(shè)計(jì)對(duì)象具備足夠的強(qiáng)度、剛度以免在反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)失載、共振現(xiàn)象；根據(jù)空間情況機(jī)械臂結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，體積適當(dāng)；對(duì)驅(qū)動(dòng)源、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)進(jìn)行計(jì)算校核。

2系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

2.1整體組成設(shè)計(jì)

機(jī)械臂系統(tǒng)應(yīng)由控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分和檢測(cè)部分組成。通?？捎肞LC、單片機(jī)等作為控制器，控制部分經(jīng)編程運(yùn)行給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器。液壓、氣壓和電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式比較適合自動(dòng)投本機(jī)械臂的工作要求。驅(qū)動(dòng)部分帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成夾取、轉(zhuǎn)向、運(yùn)送等執(zhí)行動(dòng)作，檢測(cè)部分給出各步動(dòng)作是否到位、是否可以開(kāi)始工作等反饋信號(hào)給控制部分。在此設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)方式，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的反饋與調(diào)整。驅(qū)動(dòng)部分應(yīng)向執(zhí)行部分各動(dòng)作單元提供動(dòng)力使其完成相應(yīng)動(dòng)作。按工作內(nèi)容要求，執(zhí)行部分應(yīng)包括底座、臂部、腕部和末端夾持器。執(zhí)行系統(tǒng)是能夠?qū)⑽锲窂某跏嘉恢梅诺狡谕恢玫臋C(jī)械機(jī)構(gòu)。檢測(cè)部分主要是各類(lèi)傳感器，由內(nèi)部和外部檢測(cè)兩部分組成，完成內(nèi)外部環(huán)境信息的采集并將其反饋給控制部分供程序執(zhí)行相應(yīng)步驟。

2.2自由度、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的分析

確定從動(dòng)作流程并結(jié)合空間、成本、實(shí)用性等方面考慮，機(jī)械臂宜采用圓柱坐標(biāo)式。依據(jù)書(shū)芯轉(zhuǎn)移中需要完成載軸向旋轉(zhuǎn)、再軸向伸縮、在軸向升降和腕部旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，四自由度可滿足工作要求。整個(gè)自動(dòng)投本機(jī)械臂系統(tǒng)將由四個(gè)主要自由度和一個(gè)末端執(zhí)行夾持器構(gòu)成，每個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)方式和尺寸如圖2自動(dòng)投本機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方案所示。圖中A1指示底座旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)角度為90毅；B2指示Z軸升降，升降最大范圍400mm；B3指示Y軸伸縮，夾持端與立柱中心伸縮最大范圍為800mm；A4表示腕部翻轉(zhuǎn)功能，確定夾持器部分的仰俯角度范圍為90毅；C5指示夾持器部分，可依書(shū)芯厚度確定開(kāi)閉寬度。機(jī)械臂工作任務(wù)可由底座旋轉(zhuǎn)、圓柱升降、橫臂伸縮、腕部旋轉(zhuǎn)、夾持器夾持共同完成。設(shè)計(jì)滿足夠用的情況下應(yīng)節(jié)約成本減小尺寸。機(jī)械臂的動(dòng)作流程如圖3動(dòng)作流程圖所示。

2.3自動(dòng)投本機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用電機(jī)、聯(lián)軸器及齒輪組連接，齒輪組可小幅調(diào)節(jié)減速電機(jī)轉(zhuǎn)速，以適當(dāng)速度帶動(dòng)機(jī)械臂上部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，電機(jī)偏置式或側(cè)置放置，倒立或水平布置在主軸一側(cè)。從整體機(jī)械臂重心平衡角度出發(fā)，升降臂和電機(jī)在底座上采用偏置豎直倒置方式分布安裝，還可降低底座部分的高度。臂部由于包括水平的伸縮和垂直的升降運(yùn)動(dòng)，且都為直線運(yùn)動(dòng)，故設(shè)計(jì)采用直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。底座、臂部傳動(dòng)設(shè)計(jì)如圖4、圖5所示。機(jī)械臂的腕部應(yīng)完成翻轉(zhuǎn)的動(dòng)作，故設(shè)計(jì)腕部傳動(dòng)電機(jī)安裝在伸縮臂小臂端，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)腕部完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。如圖6所示。由夾持物體的尺寸設(shè)計(jì)夾持器結(jié)構(gòu)，其手指應(yīng)具有足夠的張開(kāi)和閉合范圍，其開(kāi)閉范圍與書(shū)芯的大小、厚度尺寸有關(guān)。夾持器與書(shū)本的接觸部分應(yīng)作軟接觸保護(hù)，可使用橡膠保護(hù)套，設(shè)計(jì)以四手指上下對(duì)稱(chēng)分布，夾持器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。小夾板動(dòng)作驅(qū)動(dòng)使用防塵寬闊氣動(dòng)氣缸完成。

3關(guān)鍵零部件的分析

3.1滾珠絲杠的分析

本設(shè)計(jì)選用BSS1510L滾珠絲杠確保機(jī)械臂的升降運(yùn)動(dòng)定位準(zhǔn)確度滿足工作需求，其精密等級(jí)為C5級(jí)。前面依工作情況已設(shè)定運(yùn)動(dòng)行程為400mm，在此設(shè)定升降運(yùn)動(dòng)過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)2s。運(yùn)動(dòng)過(guò)程為豎直直線運(yùn)動(dòng)，速度變化過(guò)程為：加速寅勻速寅減速，設(shè)定加減速時(shí)間均為0.1s。由此可得相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算式如下：（滾珠絲杠的行程）（升降過(guò)程中加速度）（升降過(guò)程中加速行程）（升降過(guò)程中減速行程）（升降過(guò)程總行程，S3為勻速行程）解得：本設(shè)計(jì)中使用額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的松下伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滾珠絲杠導(dǎo)程計(jì)算：Ph叟VMAX伊60伊1000V額，可選擇導(dǎo)程為5mm，再由機(jī)械臂的實(shí)際參數(shù)可確定軸徑為15mm。按實(shí)際運(yùn)行中考慮重力影響，上升段需要的扭矩要大于減速段、勻速段及下降段，因此升降臂的軸向載荷最大值應(yīng)滿足加速上升段即可。將載荷計(jì)算公式：Fa=C0/f（C0基本額定載荷，f安全系數(shù)）中C0取值定為125000N，f取值為2，則平均軸向載荷為：因直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)易形成磨損，其額定疲勞壽命計(jì)算可由下式確定：（額定動(dòng)載荷Ca=9500N，負(fù)載系數(shù)f棕=1.2）；距離壽命計(jì)算：LS=L伊Ph衣106。依據(jù)計(jì)算結(jié)果可查閱相關(guān)參數(shù)，選擇合適型號(hào)的滾珠絲杠。

3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分析

依據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇松下伺服電機(jī)，其型號(hào)參數(shù)的確定需由機(jī)械臂負(fù)荷及工況來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。各軸轉(zhuǎn)矩為軸向、摩擦、預(yù)緊三項(xiàng)。計(jì)算公式如下：TO=Fm伊Ph2仔濁（軸向轉(zhuǎn)矩）、Tf=滋伊d伊Fa2（摩擦轉(zhuǎn)矩）、Td=K伊Ph伊F預(yù)2仔濁（摩擦轉(zhuǎn)矩）參數(shù)傳遞效率濁取0.9，摩擦系數(shù)滋取0.02，預(yù)緊系數(shù)K取0.2。各軸轉(zhuǎn)矩之和需小于電機(jī)額定值，即TO+Tf+Td燮Ts；加速轉(zhuǎn)矩Tp=2仔nmax60t·J約Tmax（最大轉(zhuǎn)矩），系統(tǒng)總慣量J=JL+JM，負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。（式中nmax=3000r/min，t=0.1s）依據(jù)計(jì)算可得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)，從而進(jìn)行電機(jī)選型。

4設(shè)計(jì)方案三維建模及虛擬裝配

可將上述設(shè)計(jì)方案通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行各部位零件的建模并進(jìn)行整機(jī)的虛擬裝配，例如使用SolidWorks軟件完成實(shí)體建模，特點(diǎn)是直觀且真實(shí)，對(duì)模型的質(zhì)量、尺寸、坐標(biāo)位置等可直接反映出來(lái)，通過(guò)修改參變量方式可方便地進(jìn)行分析和改進(jìn)。在本設(shè)計(jì)中使用該軟件進(jìn)行建模時(shí)將依據(jù)所選擇的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、零部件完成各個(gè)部分的建模，之后進(jìn)行各部位零件的配合，最終進(jìn)行虛擬裝配完成整機(jī)的模型建立。在整機(jī)配合中應(yīng)當(dāng)遵循自下而上的設(shè)計(jì)順序，先將單個(gè)零件組成子體，完成如底座、夾持器等各部分，從固定底座開(kāi)始依次向上進(jìn)行虛擬裝配，并通過(guò)如配合等操作命令進(jìn)行約束配合，最終可使裝配好的虛擬樣機(jī)各部位定位精準(zhǔn)。此外，使用該軟件還可對(duì)機(jī)械臂的干涉現(xiàn)象進(jìn)行檢查，可快速找到干涉對(duì)象方便修改，縮短設(shè)計(jì)周期。

5小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)機(jī)械臂來(lái)對(duì)一般中小型印刷廠使用的包本機(jī)投送書(shū)芯的人工作業(yè)進(jìn)行替代，在設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析和計(jì)算，為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供了一種參考方案。

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作者:石瑞芳 李金龍 單位:甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院