劉敏

【摘 要】本文設(shè)定了拖拉機(jī)變速箱箱體鑄造型芯取料機(jī)械手工作所需的主要性能參數(shù)并完成了機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)。分析了機(jī)械手液壓系統(tǒng)總體方案，完成了機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用AMESim液壓仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

【關(guān)鍵詞】鑄造型芯；機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；系統(tǒng)仿真

【Abstract】This paper setting the main performance parameters of the picking manipulator cast-molding core of the tractor gearbox. The manipulator gripper was designed according to work required and managed.Then the overall scheme of the hydraulic system was analyzed， the hydraulic system of the picking manipulator was finished. Finally， the correctness of hydraulic system was verifying using hydraulic system simulation software of AMESim.

【Key words】Cast-molding core；Manipulator；Hydraulic system；System simulation

0 引言

本文研究對(duì)象拖拉機(jī)變速箱箱體屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜殼體類零件，材料一般采用鑄鐵或鋁合金，毛坯采用鑄造工藝制造，其內(nèi)部型腔采用鑄造型芯獲得。拖拉機(jī)變速箱箱體制造屬于大批量生產(chǎn)，其鑄造型芯的制造工藝有多種，其中利用造型機(jī)壓制成型制芯工藝較多。型芯制成后會(huì)輸送至平臺(tái)上，然后人工搬運(yùn)至下道工序工位，自動(dòng)化程度低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文針對(duì)鑄造型芯生產(chǎn)加工搬運(yùn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、容易發(fā)生安全事故隱患的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)變速箱鑄造型芯取料機(jī)械手液壓系統(tǒng)。該機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)變速箱加工的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率、改善車間環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)方案擬定

1.1 機(jī)械手的工作原理

拖拉機(jī)變速箱箱體鑄造型芯取料機(jī)械手由六部分組成，分別是基座、腰部、大臂、小臂、手腕和手指。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖1，該機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂伸縮、腕部回轉(zhuǎn)和手指開合運(yùn)動(dòng)，此五種運(yùn)動(dòng)都是由液壓驅(qū)動(dòng)回路組成，分別為大臂升降回路、腰部回轉(zhuǎn)回路、小臂伸縮回路 、腕部回轉(zhuǎn)和手部夾持回路。

該機(jī)械手動(dòng)作過程中：1為腰部沿立柱作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2為大臂沿立柱作上下移動(dòng)；3為小臂沿水平方向作伸縮運(yùn)動(dòng)；4為手腕作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；5為手指作夾緊、放松運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)動(dòng)作開始或結(jié)束都有相應(yīng)行程檢測(cè)開關(guān)、限位開關(guān)和壓力繼電器用來發(fā)出信號(hào)以控制機(jī)械手按工作要求進(jìn)行準(zhǔn)確而平穩(wěn)的順序動(dòng)作。

1.2 機(jī)械手的工作參數(shù)設(shè)定

（1）抓取工件為為砂型型芯，最大工件重量為20kg，形狀為圓柱體；

（2）機(jī)械手自由度數(shù)：四個(gè)自由度；

（3）最大工作半徑：1500mm；

（4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮形程：700mm

伸縮速度：小于150mm/s；

升降形程：300mm升降速度：小于50mm/s；

腰部回轉(zhuǎn)范圍：0～90°回轉(zhuǎn)速度：小于50mm/s；

手腕回轉(zhuǎn)范圍：0～180°回轉(zhuǎn)速度：小于90°/s；

（5）機(jī)械手定位精度：-3mm～+3mm；

（6）驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)；

（7）機(jī)械手手指夾持范圍：4～100mm。

1.3 機(jī)械手的手部夾持器設(shè)計(jì)

機(jī)械手的手部夾持器主要用來對(duì)工件進(jìn)行抓取和握緊轉(zhuǎn)動(dòng)，它于機(jī)械手的前端，可以完成人手的一些基本動(dòng)作。因其與工件直接接觸從而決定了其對(duì)工件的操作也直接影響著工件的質(zhì)量與安全。如抓取時(shí)使工件受力不均、滑動(dòng)等將直接對(duì)工件造成一定程度上的傷害。目前，根據(jù)被抓取的加工工件形狀、重量等物理方面因素的不同，在生產(chǎn)中應(yīng)用的手部夾持器主要有鉗爪式和氣吸式。其又可根據(jù)夾持器工作維度分為平移型和回型型。工作中夾持器準(zhǔn)確而無偏差地抓取工件并送到下道工序工件加工位置，其與機(jī)械手的定位精度和手指的夾持誤差大小都相關(guān)?，F(xiàn)對(duì)平移型和回轉(zhuǎn)型夾持器的優(yōu)缺點(diǎn)及定位誤差進(jìn)行分析。

（1）平移型夾持器

平移型夾持器示意圖如圖2。該夾持器的優(yōu)點(diǎn)為軸心的位置在工作過程中不發(fā)生變化，即工作過程中其定位誤差。但通常的平移型夾持器由純機(jī)械組合機(jī)構(gòu)來傳動(dòng)，存在結(jié)構(gòu)繁雜、體積龐大、效率低。

（2）回轉(zhuǎn)型夾持器

回轉(zhuǎn)型夾持器示意圖如圖3?；剞D(zhuǎn)型夾持器是目前在各種抓取機(jī)械手及搬動(dòng)機(jī)械上廣泛被應(yīng)用的一種。但夾持器手指夾持工件時(shí)，手指與工件的接觸部分隨工件的直徑不同而會(huì)發(fā)生很大的變化。特別是當(dāng)工件的直徑較大時(shí)，手指與工件的接觸部分就會(huì)變得很小，導(dǎo)致夾持不穩(wěn)。

（3）液壓驅(qū)動(dòng)連桿交叉平移夾持器

機(jī)械手在生產(chǎn)線上工作時(shí)，夾取工件的直徑尺寸根據(jù)生產(chǎn)要求而不同，夾持器若使用回轉(zhuǎn)型夾持器，則會(huì)出現(xiàn)大的定位誤差，其就會(huì)使機(jī)械手取料的精度下降。又為解決平移型夾持器復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和龐大的體積。本文設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)連桿交叉平移夾持器。液壓驅(qū)動(dòng)連桿交叉平移夾持器示意圖如圖4。

該夾持器由一個(gè)單作用雙聯(lián)液壓缸和交叉式連桿機(jī)構(gòu)組合而成。當(dāng)液壓缸的無桿腔有油液進(jìn)入時(shí)，在液壓壓力作用下兩活塞桿被分別推出，通過交叉式連桿作用從而使工件夾緊；當(dāng)液壓缸無桿腔無液壓油進(jìn)入時(shí)，兩活塞桿分別在彈簧推力作用下被自動(dòng)推回，工件被松開。因這兩個(gè)液壓缸共用一個(gè)進(jìn)油腔從而能使兩個(gè)活塞桿同步動(dòng)作。同時(shí)該夾持器的軸心位置不因工件直徑的變化而發(fā)生變化，當(dāng)工件直徑尺寸不同時(shí)，夾持器能夠自動(dòng)調(diào)整，使定位誤差為零，且其有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)作反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。endprint

1.4 液壓系統(tǒng)原理圖及工作原理

把上節(jié)選擇的液壓回路整合在一起，經(jīng)優(yōu)化與完善后即為一張液壓系統(tǒng)原理圖?，F(xiàn)將機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖5。

2 液壓系統(tǒng)的仿真

2.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)建模

本液壓系統(tǒng)共由5個(gè)單獨(dú)的支路并聯(lián)而成，每個(gè)支路即是一個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)子系統(tǒng)，首先分別構(gòu)建5個(gè)與其相應(yīng)的子模型，即升降缸模型、腰部回轉(zhuǎn)缸模型、伸縮缸模型、腕部回轉(zhuǎn)缸模型和夾緊缸模型，然后通過管道將5個(gè)子模型連接成總液壓系統(tǒng)模型如圖6所示。

2.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

該系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

由圖7可知，升降缸滿足工作要求。由圖8可知，升降缸兩腔壓力也滿足工作需要，當(dāng)升降缸上升或下降時(shí)，其回油路上皆產(chǎn)生一定背壓力使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。由圖9可知，該系統(tǒng)流量變化較為穩(wěn)定。綜上分析可知，該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正確且具有良好的可行性。

由圖10可以看出，其左右轉(zhuǎn)動(dòng)速度均較準(zhǔn)確，可以準(zhǔn)確到達(dá)工作所需位置而滿足工作要求。由圖11可知，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其有較為穩(wěn)定且小的扭矩，可保證工件穩(wěn)定轉(zhuǎn)運(yùn)。由圖12可知，回轉(zhuǎn)缸兩腔壓力同樣滿足工作需要，當(dāng)回轉(zhuǎn)缸左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其回油路上皆產(chǎn)生背壓力使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。而綜上可知，該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正確具有良好的可行性。

3 結(jié)論

本文以拖拉機(jī)變速箱箱體鑄造型芯液壓驅(qū)動(dòng)取料機(jī)械手為研究對(duì)象，完成了機(jī)械手夾持器及其液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)構(gòu)建的正確性及運(yùn)行的穩(wěn)定性。該機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)變速箱箱體型芯加工的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率、改善車間環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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