投本機械臂的設計及關鍵部件分析

閆云東　楚翼　蔣歡歡

摘要：將流水線上末端送來的書芯等轉移到圓盤包本機，這是目前一般印刷廠的工藝流程中存在的人工作業環節之一。向圓盤包本機投放書芯的高頻作業易使工人產生疲勞并可能出現投本反向、錯位等問題，造成生產成本的上升。頻繁的重復操作正是自動機械臂應當出現的工位，現在應用三維建模以及軟件仿真驗證來實現機械臂的設計工作成為主流設計方法。基于此，對投本機械臂的設計及關鍵部件分析進行研究，僅供參考。

關鍵詞：自動機械臂;設計;分析

引言

一般而言，工程機械臂是多輸入輸出、高非線性、強耦合的多體系統。機械臂基于自身動力完成多種作業需求，可用于裝備制造、焊接檢測、重型裝配等生產環節，在礦山機械、智慧交通、航空航天、軍工制造等諸多領域有著廣泛應用。現代化工業技術飛速發展，社會生產規模大、自動化程度高，工程機械在整個生產建設中發揮著越來越重要的作用。機械臂是各種工程機械設施的主要組成部件之一，其動力學特性決定了工程機械整機的性能發揮。工程機械臂作業工況在一般情形下較為惡劣，所受載荷復雜。因此，為保證機械臂可靠運行、安全作業并提高工作效率，對其結構進行優化設計尤為必要。

1應用環境及要求簡述

通常情況下廠房干凈平整，待裝書芯經傳送帶放置于置物架上，工人將書芯投放到圓盤包本機夾口內完成包本工作。以中小型印刷廠普遍使用的包本機工作要求為例，機械臂的主要任務是將A4尺寸書芯（厚度約10～20mm）從置物架夾取并轉移到期望位置。設書芯抓取架高度約900mm，置物架、包本機和人三者之間的布局。考慮設計對象具備足夠的強度、剛度以免在反復運轉過程中出現失載、共振現象;根據空間情況機械臂結構應緊湊，體積適當;對驅動源、傳動結構的選取應進行計算校核。

2設計分析

在機械臂結構設計中，傳統的產品設計方案是根據設計需求，參考同類產品的經驗數據，憑借一定理論判斷以選定設計參數，再進行校核計算。其結構復雜，如果對每個零件進行個性化設計，會導致工作量大、開發周期長、效率低下等問題。隨著計算機技術的普及，產品設計技術日益成熟，計算機輔助設計已成為現代制造業的發展新趨勢，在CAD技術的實際應用中，參數化設計技術是目前主流的發展方向之一。所謂參數化設計是指將模型中的約束信息變量化，使之成為可以調整的參數，給變量化參數賦以不同數值，就可以得到不同大小和不同形狀的零件模型，這種設計方法效率高、實現簡單、可移植性強，對形狀或功能相似的產品設計具有重要意義。用戶在設計輪廓時無需準確定位和定形，只需勾畫出大致輪廓，然后通過修改標注的尺寸值以達到最終形狀，或者只需將鄰近的關鍵部分定義為幾個參數，通過對參數的修改實現產品設計。參數化設計在機械臂機械結構中的應用不僅極大地提高了設計和繪圖效率，而且體現出很高的應用價值。

3機械臂組成

由6組模組滑臺驅動，6個松下伺服電機獨立控制各個模組滑臺，各個滑臺和桿之間通過緊定螺釘固連.電機型號為MSMF012L1V2M，即額定功率為100W、額定轉矩為0.32N·m的低慣量伺服電機，并帶有23位分辨率的絕對式編碼器，以及松下的B系列EtherCAT（基于以太網的自動控制技術）總線式驅動器.模組滑臺的指標.電機速度模式為梯形速度曲線，如圖4所示的時間t與速度v的關系曲線.其中：vm為最大速度;t為加減速時間;t為勻速時間.由表3和圖4可知，電機加速到最大速度時間為t=500/500=1s，則圖4中加減速段用時為2s，距離為500mm，勻速段時間t=0.2s，勻速距離為100mm，即機械的性能設計上，滑臺模組在額定工況下最少需要2t+t=2.2s的時間可以使單模組從一端運動到另一端，對應著連續體機械臂從一種極限姿態轉換到另一種極限姿態，這是因為以機械驅動作為系統的輸入時，可以把系統看作是6個滑臺在模組上的位置到機械臂末端在工作空間中的位姿的映射，因而把機械臂的極限姿態映射到滑臺模組上時即部分滑塊在模組的極限位置的狀態.上述機械驅動效率能夠充分發揮機械臂本體在抓取作業時的工作效率，后文的實驗將會給出具體數據。

4設計方案三維建模及虛擬裝配

可將上述設計方案通過三維建模軟件進行各部位零件的建模并進行整機的虛擬裝配，例如使用SolidWorks軟件完成實體建模，特點是直觀且真實，對模型的質量、尺寸、坐標位置等可直接反映出來，通過修改參變量方式可方便地進行分析和改進。在本設計中使用該軟件進行建模時將依據所選擇的傳動結構、零部件完成各個部分的建模，之后進行各部位零件的配合，最終進行虛擬裝配完成整機的模型建立。在整機配合中應當遵循自下而上的設計順序，先將單個零件組成子體，完成如底座、夾持器等各部分，從固定底座開始依次向上進行虛擬裝配，并通過如配合等操作命令進行約束配合，最終可使裝配好的虛擬樣機各部位定位精準。此外，使用該軟件還可對機械臂的干涉現象進行檢查，可快速找到干涉對象方便修改，縮短設計周期。

結束語

在輕物品智能抓取、與環境安全交互、狹小空間靈活作業，尤其是在手術機器人領域等應用場合，連續體機器臂展現的特性相比于傳統剛性機器臂的特性具有更好的綜合表現，這些特性主要包括工作空間（主要是指包括旋轉和平移在內的六自由度空間）、定位精度、手臂的剛性與載荷、體積尺寸、求解和作業效率、成本等方面.由于與應用場景的需求更為匹配，近年來，連續體機器臂不僅成為這些領域的研究熱點，還展現了充足的市場潛力。本文主要介紹連續體機器臂的設計以及組成，由并聯設計方案三維建模及虛擬裝配機器臂。

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