基于SolidWorks 的自動裝卸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

魏 波

（哈爾濱石油學(xué)院機械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的持續(xù)發(fā)展，自動化作業(yè)備受人們重視。在此背景下，物料裝卸機構(gòu)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以控制系統(tǒng)的程序指令模仿人類手臂的動作，實現(xiàn)物料工件自動化抓取，應(yīng)用于沖壓、熱處理、機加工等工藝過程。工業(yè)機械手的生產(chǎn)效率高，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷工作，還能夠?qū)崿F(xiàn)物料轉(zhuǎn)移位置精度可控，因此具備高精度、高效率的優(yōu)勢，尤其是在低壓、低溫、高壓、高溫環(huán)境中應(yīng)用，能夠代替人工工作，避免在特殊環(huán)境中對人造成傷害。

1 自動裝卸機械結(jié)構(gòu)的功能

自動裝卸機械結(jié)構(gòu)終端為氣動夾爪，能夠?qū)崿F(xiàn)抓放的動作，通過雙電控電磁閥和雙作用氣缸實現(xiàn)控制。在垂直方向，氣動夾爪安裝在雙作用氣缸中，能夠?qū)崿F(xiàn)下降和上升等動作，利用單電控電磁閥控制方向。伸縮氣缸垂直安裝，實現(xiàn)伸縮動作，通過雙電控電磁閥實現(xiàn)水平雙作用氣缸。機械手動作通過7 個控制點和4 個電磁閥實現(xiàn)伸縮、旋轉(zhuǎn)、抓放和上下的動作。另外，利用信號開關(guān)啟動機械手感知部分，將電感式傳感器設(shè)置在左右極限點，將磁電開關(guān)設(shè)置到上下極限點，表1 為氣動機械手I/O 表。

表1 氣動機械手I/O 表

2 自動裝卸結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 夾持機構(gòu)設(shè)計

夾持機構(gòu)使用直桿移動機構(gòu)，滑塊使用電機驅(qū)動，通過曲桿和直桿交點位置對滑塊所處位置進行控制，以此達到夾持目的。為了提高整體裝卸系統(tǒng)的適用性，利用機械式夾持機構(gòu)的直桿式平移夾持機構(gòu)，動力源為電機，使用4片夾片。圖1 為夾持機構(gòu)運動示意，構(gòu)件A 為曲線，構(gòu)件B 利用滑塊和構(gòu)件A、固定直桿C 連接。在構(gòu)件A旋轉(zhuǎn)過程中，構(gòu)件B 受到滑塊的約束做直線運動，運動規(guī)律和直桿、曲桿在垂直方向投影面的交點位置相關(guān)，利用改變曲線參數(shù)對滑塊運動速度和位置等參數(shù)進行控制。

圖1 夾持機構(gòu)運動示意

曲桿曲線設(shè)計是夾持機構(gòu)的設(shè)計重點，參數(shù)設(shè)計曲線為夾持箱體的長度、寬度。假如物體規(guī)則箱體存在曲桿旋轉(zhuǎn)動作，利用極限坐標(biāo)確定點位置。各個點之間的間隔角度設(shè)置為45°，利用樣條曲線和各個點相互連接。曲桿曲線見圖2，夾持機構(gòu)設(shè)計圖見圖3。

圖2 曲桿曲線

圖3 夾持機構(gòu)設(shè)計圖

2.2 底座回轉(zhuǎn)設(shè)計

自動裝卸結(jié)構(gòu)底座即機械手俯仰機構(gòu)、直線位移的回轉(zhuǎn)基座，在底座部分安裝基座，精度對機構(gòu)末端精度具有直接影響，因此要保證其精度。另外，底座承受設(shè)備全部的重量，所以要求底座安裝基面足夠使用，強度和剛度要足夠大。為了實現(xiàn)自動裝卸機構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性，該部分使用BZL-200 型直流電機驅(qū)動，機長為103 mm，額定電壓24 V，直徑89 mm。

2.2.1 蝸輪蝸桿設(shè)計

（1）參數(shù)設(shè)置。蝸桿輸入功率P2=0.18 kW，蝸輪轉(zhuǎn)速n2=50 r/min，使用壽命為5 年。

（2）選擇材料。因為機器人結(jié)構(gòu)尤為重要，蝸桿材料為45#鋼表面淬火，蝸輪材料使用ZCnS10Pb1，金屬模鑄造。

（3）確定參數(shù)。為了使傳動效率得到提高，傳動比i=20，蝸桿Z1=2，蝸輪Z2=45。

（4）計算齒面接觸疲勞強度，中心距=174 mm。

2.2.2 直線運動設(shè)計

為了使自動裝卸結(jié)構(gòu)在工作過程中能夠穩(wěn)定運行，直線運動速度設(shè)置為20 mm/s。為了實現(xiàn)機構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性，驅(qū)動電機使用直流電機，額定電壓為24 V，直徑為70 mm。

2.2.3 俯仰運動設(shè)計

為了保證機構(gòu)的穩(wěn)定性，使用BZL-150 型電機，機長為103 mm，額定輸出功率105 W，額定電壓24 V。應(yīng)用轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為1500 r/min，第一級減速使用帶傳動，傳動比設(shè)置為5，第二級為蝸輪蝸桿傳動，傳動比設(shè)置為60。

2.3 機械手手爪的設(shè)計

機械爪設(shè)計要滿足相應(yīng)的原則，搬運式手爪實現(xiàn)物體的搬運和夾取，為多類型手持裝置。加工式手爪為機械手附加設(shè)備，設(shè)置銑刀、焊槍等工具，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)加工。

機械手手腕為操作最末端，和手爪連接。手爪的空間動作和作業(yè)與手臂配合，滿足實際作業(yè)需求，具備一定自由度，并且小巧輕盈、結(jié)構(gòu)緊湊。自由度要根據(jù)實際情況確定，并且保證結(jié)構(gòu)鋼度和強度，從而使其在工作過程中傳遞和運動的連貫性。在保證其精度目標(biāo)時，設(shè)置傳動間隙調(diào)整。為了避免機械損壞，在手腕各個關(guān)節(jié)實現(xiàn)開關(guān)設(shè)置。

機械手手臂要承受一定載荷，機械自身具備一定速度。為了降低電機負(fù)載，和手臂關(guān)節(jié)軸對比，手臂要保證平衡，加強對機械手的控制。

3 自動裝卸結(jié)構(gòu)的運動仿真

夾持紙箱設(shè)計為530 mm×230 mm×370 mm，在平板拖車中實現(xiàn)紙箱的設(shè)置，在平板拖車上方設(shè)置夾持機構(gòu)，夾持機構(gòu)向下運動，機械手做向心運動使箱體夾緊，上抬一定高度在工作臺水平移動，之后垂直向下在工作臺放置箱體，最后夾持機構(gòu)翻轉(zhuǎn)，松開機械手，夾持機構(gòu)回到初始位置，重復(fù)裝卸過程。在整個仿真運動中，要求運動速度準(zhǔn)確，圖4 為自動裝卸結(jié)構(gòu)運動仿真。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計能夠滿足自動裝卸機械的運動需求。

圖4 自動裝卸結(jié)構(gòu)運動仿真

4 結(jié)束語

本文使用模塊化和優(yōu)化設(shè)計理論實現(xiàn)自動裝卸機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，利用ANSYS 軟件進行校核。使用SolidWorks 軟件實現(xiàn)運動過程仿真。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計能夠滿足機械運動需求。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)功能需求，在裝卸作業(yè)中使用可降低成本，還能夠提高裝卸工作效率。