李衛(wèi)民，劉牧歌

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

大負載工業(yè)機器手關(guān)鍵技術(shù)研究

李衛(wèi)民，劉牧歌

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

通過對大負載工業(yè)機械手的研究，探究了大負載工業(yè)機械手設計中的關(guān)鍵技術(shù)，包括總體方案的論證、傳動方案的確定、機械結(jié)構(gòu)設計和機架的數(shù)值仿真，解決了因機械手負載很大導致的大變形、高能耗和耗材增加等問題。

大負載；機械手；機械結(jié)構(gòu)；氣動系統(tǒng)；有限元分析

由于人工成本的逐年上升和惡劣生產(chǎn)環(huán)境下的工作需要，為降低成本，提高工作效率，工業(yè)機器人的需求正在上升。在2013年，中國工業(yè)機器人的銷量已經(jīng)達36 860臺，超越日本成為了全球第一大機器人市場。2015年3月，國際機器人聯(lián)合會發(fā)布的最新行業(yè)調(diào)查報告稱，2014年中國憑借54%的增速，成為工業(yè)機器人的最大需求國[1-2]。

在工業(yè)機器人中，大負載搬運機械手設計復雜。由于負載的加大，系統(tǒng)的變形會隨之變大，系統(tǒng)的能耗也會隨之增加，控制也越發(fā)困難。本文以車輪搬運機械手為例，分析了大負載機械手設計中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 方案分析與確定

本機械手采用圓柱坐標機械手設計方案。按設工程需要，所夾持件為重量范圍為150～170 kg的車輪，且如圖1所示。需將車輪在工位一和工位二間搬運。工位一與工位二出于同一條直線上。圖2為搬運至工位二后，機械手工作狀態(tài)。

如圖2所示，在工位二處，因工人操作需要，機械手需要抬升，翻轉(zhuǎn)車輪，再下降至工人可操作位置。當操作結(jié)束后，機械手需將車輪翻轉(zhuǎn)回原位。

圖1 機械手工位圖

動作流程為：工位一處，機械手夾持車輪；機身上升抬起車輪并縮回伸縮臂；旋轉(zhuǎn)至工位二位置；機身上升，翻轉(zhuǎn)車輪；工人操作完成后，將車輪翻轉(zhuǎn)回去，將車輪放在輥道上。

圖2 工位二處機械手動作示意圖

2 傳動方案的確定

為實現(xiàn)上述動作，機械手需要合理的驅(qū)動方式。目前在機械手的各類驅(qū)動源中，氣動驅(qū)動方式極受人們青睞。這很大程度上是因為氣動驅(qū)動的效率，在短途時與電動不相上下，但氣動元件的成本卻比伺服電機低很多。大負載情況下，因氣缸無法滿足旋轉(zhuǎn)動作的轉(zhuǎn)矩，故只能在伸縮、升降和夾緊運動中使用氣缸，旋轉(zhuǎn)部分需要使用伺服電機。機械手的機身回轉(zhuǎn)、腕部俯仰和腕部回轉(zhuǎn)三個運動由伺服電機實現(xiàn)；而機身升降，伸縮臂的伸縮和夾緊運動均由氣缸實現(xiàn)。因機身的重量很大，空氣壓縮性又較高，卻又有一定的精度要求，所以如何控制升降氣缸的精度就顯得尤為重要。

氣缸的一般定位方式是采用機械擋塊。但本次設計需實現(xiàn)氣缸多點定位，機械擋塊無法滿足。目前，實現(xiàn)氣缸的多點定位經(jīng)常應用各種伺服閥系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)造價很高，許用公稱流量又較小，不符合本次設計的大負載情況。

考慮到本次設計雖然需要一定精度，但精度又不需要很高，2～3 mm的誤差也可以接受，故本機械手采用了三位五通中封式電磁閥與平衡閥結(jié)合控制的定位方式。

如圖3所示，平衡閥為順序閥與單向閥的并聯(lián)。工作時，調(diào)整組成平衡閥的順序閥，使其開啟壓力稍大于克服部件重力所需壓力。于是回路上存在背壓來支持負載，故只有再加上一部分壓力時，活塞才會運動，使得換向閥處于中位時，因空氣壓縮性較大帶來的定位不準的問題被背壓抵消一部分，使氣缸可停在精度較好的位置。

圖3 升降系統(tǒng)氣動原理圖

3 機械系統(tǒng)設計的關(guān)鍵技術(shù)

對于大負載的機械手，在設計時需要采用合適的機械結(jié)構(gòu)，盡可能減小大負載帶來的大功率。在機械手的各個部件結(jié)構(gòu)中，以腕部機構(gòu)最為重要。

3.1 夾爪機構(gòu)設計

機械手需要夾持直徑巨大的車輪，手部夾持器夾持輪轂內(nèi)圈是必然的選擇。在由上述驅(qū)動源驅(qū)動的情況下，本機械手的夾持器要先進行設計。因為只有確定的手部參數(shù)，才能去確定夾持部分的重心與腕部回轉(zhuǎn)中心的距離，才能所需轉(zhuǎn)矩，進而考慮腕部機械結(jié)構(gòu)。

實現(xiàn)夾爪開合運動的機構(gòu)有許多種，如齒輪齒條式機構(gòu)，蝸輪蝸桿式機構(gòu)，或者卡盤形式等。對大負載機械手，最重要的是盡可能減小能耗，由于蝸輪蝸桿式機構(gòu)的機械效率很低，并不適合大負載情況；齒輪齒條式機構(gòu)占據(jù)空間大；而斜楔式氣動卡盤的基本形式占據(jù)空間小，能夠大幅減小俯仰時所需轉(zhuǎn)矩，控制也比較簡單，所以選擇這種方案。

如圖4所示，從進氣口A流入的壓縮空氣推動活塞3向下運動，也就推動楔形塊2向下運動，從而階梯式夾爪1得以水平張開，夾緊輪轂內(nèi)圈。

3.2 腕部俯仰機構(gòu)設計

夾持器結(jié)構(gòu)確定后，則可確定腕部回轉(zhuǎn)中心。車輪需要繞中軸線回轉(zhuǎn)，并需要被翻轉(zhuǎn)抬起，故需要回轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)兩個自由度。設計時，需考慮這兩個自由度的排列方式。如回轉(zhuǎn)自由度在后，則翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的偏心影響較大；如翻轉(zhuǎn)在后，則需連回轉(zhuǎn)機構(gòu)一齊翻轉(zhuǎn)，但偏心基本無影響。

圖4 手部夾持器

因一般步進電機的額定轉(zhuǎn)矩有限，如回轉(zhuǎn)機構(gòu)在后，則很難使用現(xiàn)有的普通步進電機來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，而存在更高功率的伺服電機價格又比同功率的步進電機高一些。而且，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)決定了其在徑向方向無法承受太高的扭矩，而當回轉(zhuǎn)在后時，徑向卻一定會承受扭矩，這樣會使機件壽命降低。所以應采用回轉(zhuǎn)機構(gòu)在前，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)放在后的設計方案。

因回轉(zhuǎn)機構(gòu)在前，則回轉(zhuǎn)電機的長度對翻轉(zhuǎn)中心影響很大。又因負載很高，為降低所要翻轉(zhuǎn)的部件轉(zhuǎn)矩，需將轉(zhuǎn)軸前移。所以轉(zhuǎn)軸需位于翻轉(zhuǎn)部件的中心，需在翻轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)軸兩側(cè)預留空間?？紤]用撓性傳動傳遞轉(zhuǎn)矩至轉(zhuǎn)軸。

撓性傳動中，帶傳動中的同步帶傳動效果很好，比起鏈傳動，同步帶傳動精度更好，振動也更小。但同步帶的價格較高，而本次設計中，對翻轉(zhuǎn)的精度要求較低，故不需要采用同步帶，滾子鏈傳動已足夠滿足要求。

腕部結(jié)構(gòu)如圖5所示，因回轉(zhuǎn)電機1的長度，翻轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)矩需要由減速器輸出軸6傳遞到小鏈輪5上，再通過滾子鏈4傳遞到大鏈輪3上，最后通過鍵連接傳遞到翻轉(zhuǎn)軸2上，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

因為一般步進電機的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)不夠，故翻轉(zhuǎn)動作的驅(qū)動源只能采用伺服電機。

圖5 腕部機構(gòu)

如圖5所示，雙邊驅(qū)動翻轉(zhuǎn)，需要雙軸輸出?？稍趩屋S輸出的電機上外接雙軸輸出的減速器。

4 機架的有限元分析

大負載機械手設計中，機架的強度剛度非常重要。在傳統(tǒng)設計中，機架的初步結(jié)構(gòu)設計依靠設計者的經(jīng)驗來進行初始設計，然后再進行剛度強度的校核，但往往會造成過大的安全余量。而且有些復雜的部件，強度校核也比較困難。安全余量就會放的非常大，非常不利于企業(yè)的成本控制。在有限元技術(shù)的支持下，機架的設計可以通過數(shù)值分析得到完善。通過有限元分析進行初始設計，然后進行拓撲優(yōu)化等方式設計出機架結(jié)構(gòu)，再以有限元軟件進行強度剛度的校核及疲勞分析，可以迅速有效的得到更好的設計方案。

機械手的伸縮臂形制初步選擇三種：橢圓管式，圓管與方形箱混合式和上部開口的方形箱式。

由伸縮臂的負載特性可知，變形必然集中在鉛垂面方向，故對于上述三種形制的伸縮臂，其中的橢圓管結(jié)構(gòu)不能開口。所以為將伺服電機包絡進伸縮臂中，橢圓管伸縮臂的直徑會很大，比較耗材。所以首先排除這一方式。

在剩下的兩種方式中進行選擇時，用SolidWorks進行三維建模，令兩種方式的重量相近，然后考察其變形。

由于是做比較，為縮短設計周期，可做簡化分析。即在分析時，接觸面全做默認設置，建模時用簡單的結(jié)構(gòu)替代復雜的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格也盡量劃分的大些。這樣在有限元運算時能夠迅速求得結(jié)果，做出比較，不必將時間浪費在等待運算結(jié)果上。變形分析結(jié)果如圖6。

圖6 變形分析結(jié)果

圖6所示變形相差不到0.01 mm，但圓柱箱體組合的方式的伸縮臂的重量要輕10 kg。

考慮到后方氣缸的排布，組合方式會影響氣缸擺放，而且組合方式所需組裝零件很多，在配合時會造成很大的誤差。故采用上部開口的方形箱式。

初步確定設計方案后，可根據(jù)應力分布對設計進行完善，或者使用拓撲優(yōu)化模塊進行設計優(yōu)化。在工作過程中各零部件所受應力可能隨時間作周期性的變化，這將產(chǎn)生疲勞。

本機械手有三處動作會使所受應力產(chǎn)生周期性變化，分別為手部夾緊動作、腕部俯仰動作和機身升降動作。夾緊時動作不計，俯仰動作和升降動作在伸縮臂上均產(chǎn)生應力，所以伸縮臂一定是危險零件。這兩個動作每15 s共發(fā)生2次，按此計算，25年需105 120 000次，約合10的八次方次。

兩動作產(chǎn)生的力均由加速度產(chǎn)生，但機械手的動方式是復雜的，工程需要的加速度未必一致。

但在設計中，需考慮的是極限加速度的受力情況。也就是最大設計載荷，最大設計加速度時的受力情況。以此進行疲勞分析。

本次設計機械手的最大設計載荷為180 kg，則腕部俯仰最大離心力

升降時的加速度造成的慣性力為：

設計加速度為0.5 m/s2，質(zhì)量m小于700 kg。

在ANSYS Workbench中，采用靜力學分析后再使用fatigue tool功能，結(jié)果如圖7所示。在極限伸出位置時，最危險結(jié)構(gòu)處安全系數(shù)依然大于1，滿足設計要求。

圖7 疲勞分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過對大負載機械手機械結(jié)構(gòu)的設計，研究了其關(guān)鍵技術(shù)，使機械手在滿足設計要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡單動作靈活。在機械手行業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，給設計人員一個具有一定現(xiàn)實意義的參考。

[1]王政.我國躍居全球第一大機器人市場機器人托起“中國智造”[EB/OL].[2014-11-05].http://scitech.people.com.cn/n/2014/1105/c1007-25975775.html.

[2]李華梁.2014年中國工業(yè)機器人銷量猛增五成[EB/OL].[2015-03-25].http://news.xinhuanet.com/fortune/2015-03/25/c_1114760418.htm.

[3]劉文波,陳白寧,段智敏.工業(yè)機器人[M].沈陽:東北大學出版社,2007.

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[5]丁欣碩,凌桂龍.ANSYS Workbench14.5有限元分析案例詳解[M].北京:清華大學出版社,2014.

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[8]李兵.ANSYS Workbench設計、仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學出版社,2011.

[9]秦大同,謝里陽.氣壓傳動與控制設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

責任編校：劉亞兵

Key Technology Research of Industrial Manipulator for Heavy Payload

LI Wei-min，LIU Mu-ge

（Mechanical Engineering&Automation College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

Through the design of an industrial manipulator for heavy payload,the key technology of the mechanical structure design of industrial manipulator for heavy payload is explored.This research includes the demonstration of the overall scheme,determination of transmission scheme,design of mechanical structure and the numerical simulation of body frame.And the problems are solved through this research such as large deformation,high energy consumption and increase of material consumption.

heavy payload；manipulator；mechanical structure；pneumatic system；finite element analysis

TP241.2

A

1674-3261(2017)01-0017-04

2015-12-09

遼寧省科技攻關(guān)項目計劃資助（2014106008）

李衛(wèi)民(1965-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

10.15916/j.issn1674-3261.2017.01.005