多工序機械手結構設計及有限元研究

蔡曉宇 韓博學

摘要：機械手是一種模仿人類手臂，并通過編程，來完成搬運、抓取、操作等預期作業的自動化裝置。而多工序機械手有著占用空間小、功能多樣化等特點，能更好地進行生產操作。本文根據多工序機械手的主要功能，進行了多工序機械手的結構設計，并在此基礎上對其進行有限元研究，為制造企業提供參考。

關鍵詞：多工序機械手;結構設計;有限元

引言：隨著近幾年社會的進步和經濟的高速發展，制造業的生產裝置也在變得智能化和機械化，多工序機械手在制造和生產中的應用也變得越來越廣泛。因此，對于多工序機械手的結構設計應該不斷進行探索和創新，并對其進行有限元的研究，進而提高制造和生產的效率，推動我國制造業的穩定成長。

一、多工序機械手主要功能

目前，我國大多數企業在制造和生產中所使用到的智能機械設備種類繁多，但是，這些智能機械設備所包含的功能卻很單一，很少有一臺智能機械設備可以實現單獨完成制造生產環節中的多道工序。而多工序機械手，是在同一臺智能機械設備上，可以利用多種工序，來進行制造生產所預留的作業，進而實現一臺智能機械設備可以完成多臺智能機械設備的工作。這樣一來，不光減少了制造企業中，生產設備的占地面積，有效地利用了生產線所占用的空間;還能提高生產工作效率，使制造企業的制造生產工作向智能化、自動化的方向發展。因此，對于多工序機械手的設計，要盡可能的實現對于其內部配件，可以靈活地安裝和拆卸;同時還可以在多工序機械手中增加換刀系統，并增加推進系統來對換刀系統進行輔助工作，使多工序機械手可以自動更換刀具以及裝配或拆卸配件，讓多工序機械手功能更加完善。這樣一來，多工序機械手在進行操作時，可以加快制造生產的速度，進而更好地提高制造企業生產效率。

二、多工序機械手的結構設計

（一）工作空間

工作空間是衡量多工序機械手工作技術和性能的一項重要指標。首先，對于多工序機械手，雖然要增加其工作的范圍，但多工序機械手的前端如果過于長或者過于重的話，會大大降低多工序機械手的穩定性;其次，要嚴格遵循制造生產空間的最優原則，也就是說，在可以保證多工序機械手完成預留作業的前提下，盡可能地縮小其在生產線中所占用的空間。另外，為了可以更好地完善多工序機械手的換刀系統，除了要考慮工作空間的大小、形狀之外，還應該重點考慮多工序機械手的內部傳動系統中的傳動效率，來對多工序機械手進行更加科學的結構設計[1]。

（二）整體結構

對于多工序機械手整體結構的設計，一定要保證科學、合理。在對多工序機械手結構進行設計時，對于多工序機械手各個機械臂的長度、寬度、內部工件的選型以及傳動內部裝置的選擇等因素，都需要進行詳盡、充分地思考和決定。因此，在傳統機械手的基礎上，對其進行多工序機械手的改良和設計，應該盡可能地將多工序機械手的關節、接口、傳統內部裝置等部分進行簡化改造，這樣一來，可以更好地提高多工序機械手的準確性以及穩定性。

（三）換刀系統

相比較與傳統的機械手，多工序機械手在結構設計時，在機械臂前端內增加了一個換刀系統。首先，在機械臂前端添加一個雙孔的換刀架，并在刀架上放置可供換置的刀具，該裝置是將換置刀具進行左右平移，進而改變刀具的位置，以此來運轉多工序機械手的換刀系統。

在機械手前臂和換刀架的前端之間，可以增加一個推桿，當進行換刀工作的時候，由推桿將換刀架上的換置刀具推到多工序機械手的操作位置，并且進行自動化的安裝;接著，推桿返回到原位，以便更快速的進行下一次的換刀工作。在多工序機械手處于工作狀態時，可以增加一個固定裝置，來使換置刀具在多工序機械手前端自動安裝時，可以更加穩固。除此之外，換置刀具在裝配時，還要在多工序機械手操作位置的前半部分安裝一個裝卡卡盤，主要目的是為了固定換置刀具，以防止工作時，刀具的快速運轉由于沒有固定力而造成的刀具不穩定或脫落。

（四）傳動系統

若想完善多工序機械手的傳動系統，需要配合相應的傳動方式，例如：氣壓傳動、機械傳動、電氣傳動等方式。將多工序機械手極其底座的活動范圍進行360度旋轉，機械臂肘關節進行上下15度的轉動，機械臂腕關節進行180度轉動，機械臂手部進行360度旋轉。多工序機械手以氣動方式作為主要驅動方式，同時附加電機驅動、機械驅動、伺服電機驅動等驅動方式。多工序機械手傳動系統可以簡單概括為：首先舵機帶動聯軸器，再通過聯軸器帶動底盤，進而形成底座的傳動，從而實現多工序機械手底盤向水平方向進行360度的旋轉。除此之外，對于多工序機械手的加工角度，可以讓電機帶動多工序機械手腕關節旋轉180度，而刀頭則向垂直方向進行360度旋轉，從而滿足各個加工位置的要求。

（五）前爪、刀具、自由度

首先，為了使多工序機械手功能更加完善，要確定換刀系統中所裝配的換置刀具，例如：對于螺絲刀的制造生產，可以分為十字或一字的螺絲刀，因此對于多工序機械手中配置的刀具在形狀上有一定的要求。多工序機械手中配置的刀具不光要和裝卡卡盤進行吻合，還要保證刀具末端要與機械手能夠相互配合、夾緊，以保證加工時刀具的穩定性。其次，可以以多工序機械手的關節坐標型為主，按照多工序機械手的臂部關節沿坐標軸的運動形式來進行設計和改良。這樣一來，多工序機械手對于人手的工作特點的模擬就可以更加真實了。從而實現多工序機械手能夠做到整體繞Z軸旋轉，保證其雖然結構有一些復雜、定位精度較低，但是工作范圍大，占地面積小并且能滿足制造企業的生產要求。

三、多工序機械手的有限元研究

（一）單元分析

對于多工序機械手的有限元分析主要是對其進行受力上的分析，尤其是對于多工序機械手的前臂外部固定部分進行分析，因為多工序機械手前臂不光具有垂直方向的旋轉功能，還要可以固定前面的機械手部分。因此，如果多工序機械手前臂部分的承重能力達不到標準的話，就會影響多工序機械手的加工精準度，同時影響整個生產線穩定性。對于多工序機械手的單元分析，主要是分析單元的節點力和節點位移之間相互關系，要求對基本單元進行準確的計算，例如：內部的位移的計算，以及應變、應力等關系式的列舉和計算[2]。

（二）整體分析

對于多工序機械手的整體分析可以簡單的概括為：是對其模型的各個組成部分進行分析，并建立相應的約束節點和載荷節點，從而計算出節點的位移程度。例如：可以通過改變多工序機械手的制作材料，來改變其重量，進而改變其承重能力，在這個基礎上來測試出多工序機械手的受力能力和加工的精準程度。基于此，可以發現，多工序機械臂在改變質量后，其節點位移量也會隨之改變，所以，為了保證多工序機械手在進行制造生產時是加工精準度，可以在多工序機械手的兩側，分別各增加一個液壓桿來作為多工序機械手的支撐，這樣一來，多工序機械手的加工精準度就可以得到一個有效且穩定的保證了。

四、結論

綜上所述，隨著時代的快速發展，制造行業也應該緊跟發展的腳步，將自身生產設備進行科學化、智能化的改良，以便于制造企業在市場的大環境中謀求生存和發展。對于多工序機械手結構的創新和改良是提高制造企業生產效率和自身競爭實力的重要途徑，同時也是推動我國制造業發展的關鍵環節。

參考文獻：

[1]?? 徐杭，田久樂，林煒軒.多工序機械手結構設計及有限元分析[J].自動化與儀器儀表，2017（12）：80-82+85.

[2]?? 芮義皓.減速器多工序機械手結構設計及成型研究[J].價值工程，2020，39（03）：191-192.

作者簡介：

蔡曉宇（1989-）;性別：男，民族：滿，籍貫：遼寧省丹東市，學歷：本科;研究方向：機械設計制造及其自動化。