張洪山+張福學

摘要：闡述了拖拉機曲軸生產(chǎn)線用清洗機械手研究設計的重點內(nèi)容，包括設計的目的、方案構思、輕量結(jié)構、強度校核、附屬部件的設計、三維建模等。

關鍵詞：曲軸；清洗；機械手

中圖分類號：TG751.3文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.008

1設計的目的和意義

拖拉機可應用于國民經(jīng)濟的各個部分，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必備的動力機械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用大、用途廣。

拖拉機的使用在我國已有近百年的歷史了，它的發(fā)展和使用促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展又促進了拖拉機技術的進步和完善，以不斷提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件，從而獲得更大的經(jīng)濟效益。

我國的拖拉機從無到有，發(fā)展異常迅速，但與國外相比起步較晚，技術還比較落后，無論在產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量上，還是在品種上與發(fā)達國家相比，都有一定的差距。

近50年來，國外拖拉機的功率日趨增大，技術水平越來越高，對生產(chǎn)的要求，特別是對生產(chǎn)中各零件的要求更是越來越高，在零部件清潔方面大多采用自動線清洗或機器人清洗，而機器人清洗是高于自動線清洗的嶄新的技術，在機器人清洗設備中，機械手的設計是很關鍵的部分，下文主要介紹一下曲軸抓取機械手的研究和設計。

2設計方案構思

2.1抓取工件位置及定位方案的確定

機械手抓取工件的原則是不傷及加工精度較高的主軸頸和連桿軸頸，定位穩(wěn)定可靠，不遮擋工件主要部位的清洗，保證清洗設備中高壓水流能夠直接沖擊主軸頸和連桿軸頸表面。根據(jù)這一要求和曲軸的具體結(jié)構，確定以曲軸兩端的中心孔定位并兩端用夾緊力夾緊，這樣即限制了曲軸在x軸、y軸方向上的移動自由度和轉(zhuǎn)動的自由度，又能保證工件牢固可靠，在機械手緩慢移動和快速移動中工件曲軸不會松脫。上訴夾緊定位也限制了z軸移動的自由度，而z軸轉(zhuǎn)動的自由度還處于自由狀態(tài)。被夾緊的工件—曲軸有兩端，即法蘭端和長軸端，在法蘭端面有個定位銷孔，在該孔中插入定位銷，定位銷的另一端與夾緊手臂固定，曲軸轉(zhuǎn)動的自由度也被完全的限制。

2.2機械手整體結(jié)構的方案構思

欲實現(xiàn)上文中確定的定位和夾緊的功能，需要有兩只機械手手臂，并且能夠移動，以便實現(xiàn)夾緊時曲軸在機械手的操縱下完成直線移動和曲線運動的目的，同時，機械手又能松開曲軸放置在指定的位置，實現(xiàn)抓取另一只曲軸繼續(xù)清洗的功能。

能夠?qū)崿F(xiàn)這種移動的動力原件有多種，如氣爪、氣缸、油缸、電缸等。在沒有特殊要求的情況下盡量采用氣缸，因為它具有成本低廉、結(jié)構簡單、體積小、重量輕、能源清潔方便等優(yōu)點。

兩只手臂都需要移動就需要兩只氣缸，如果只需要一支手臂移動只需要一只氣缸就可以滿足要求。由于機械手是由機器人帶動工作的，而機器人可以在一定的范圍內(nèi)做任意動作，控制機械手到達任意位置，因此在機器人帶動機械手抓取曲軸時，可以機器人帶動一只固定的機械手臂靠近曲軸的一端，之后另一只手臂在氣缸的驅(qū)動下夾緊曲軸的另一端，這樣只需要一只氣缸即可完成要求的動作。

設計這種機械手需要有一個相對于機器人固定的部件，我們稱它為連接塊，它前端與機器人的連接盤連接，下端與機械手的固定手臂連接，也與氣缸固定連接，活動的機械手臂與氣缸連接，并隨氣缸做直線移動。

氣缸在夾緊曲軸時，兩只機械手臂受彎曲應力的作用，所以兩個手臂在設計時要有一定的抗彎強度和較好的剛度。而活動手臂的彎矩會理所當然的傳遞給氣缸，至使氣缸也承受較大彎矩的作用。而氣缸本身不具備抵抗彎矩的能力，只能承載軸向載荷。解決的辦法是增加一組直線移動導軌，導軌的一端與連接塊固定，另一端與活動的機械手臂固定。這樣活動的機械手臂的彎矩直接傳給了直線導軌，直線導軌的主要作用就是承載彎曲應力的作用，把活動手臂的彎矩通過導軌傳給連接塊。方案構思如圖1所示。

1.機器人連接盤 2.連接塊 3.機械手固定手臂 4.氣缸 5.機械手活動手臂 6.定位銷 7.曲軸夾緊頂尖 8.曲軸

3整體結(jié)構建模

該機械手是裝載于機器人連接盤的動作部件，機器人實現(xiàn)將機械手移動到所需要的位置，機械手實現(xiàn)抓取目的工件。應用以上構思的方案，通過計算機三位軟件建模，得到拖拉機曲軸生產(chǎn)線抓取曲軸清洗機械手整體構造如圖2所示。

4機械手手臂的輕量化設計

機器人以及氣缸所能承受的載荷是一定的，如果機械手連同曲軸的重量較大，就需要選擇較大的機器人和氣缸，這就需要更高的成本投入，也浪費電力、氣源等能源。在設計時，曲軸的重量是不可以改變的，但是，機械手臂的重量可以在設計時采取一些措施，使其在保證要求的前提下，盡量減少實體材料。手臂主要承載彎矩的作用，如果設計成實體結(jié)構，顯然是不合理的，本設計中采用了類似于工字鋼結(jié)構的截面，在長度方向上兩端尺寸不等，近似于等強度梁，在工字鋼底板的中性層附近進行挖空處理，在保證強度和剛度的前提下，盡可能的減少重量。

5氣缸的選擇

已知條件：生產(chǎn)車間氣源壓力為p=4 kg/cm2，曲軸重量18.6 kg，兩端頂尖孔角度60°，中心孔深度23 mm，安全系數(shù)K=3～4，兩端頂尖頂端距端面留出15 mm的距離。

5.1氣缸行程的選擇

氣缸行程h=23×2+15×2=76 mm

查表，按氣缸標準，選擇氣缸行程為100 mm。

5.2氣缸直徑的選擇

根據(jù)曲軸兩端中心孔的參數(shù)，計算夾緊力

F1=18.6×10=186 N

F2=F1·ctg30°=186×1.732=322 N

F=K·F2=（3～4）×322=966～1288 N

選擇直徑為63 mm的氣缸，夾緊力為endprint

f=3.144·d2·P=3.144×6.32×4×10=1247 N

符合夾緊力的要求。

5.3選擇氣缸型號

根據(jù)以上計算結(jié)果，結(jié)合清洗設備對動力原件的要求，選擇型號為CNA2F63-100防水帶端鎖氣缸即可滿足使用要求。

6機械手臂變形量校核

已知條件：氣缸夾緊力P=1247 N，機械手臂懸臂長度L=31.8 mm（由結(jié)構設計確定），材料的彈性模量E=2×105 kg/cm2，手臂截面為近似工字型，由兩塊相同并鏡像的底板和一塊腹板組成，每塊底板根部均為矩形截面，其尺寸為100 mm×12 mm，要求夾緊處的彎曲變形量小于0.05 mm。

校核如下：

腹板的抵抗變形的能力可以忽略不計，只計算兩塊底板的變形量，矩形截面的軸慣性矩為

J=h12·b3，每塊底板的軸慣性矩為

J=h12·b3=1.212×103=100 m4，

夾緊處機械手臂的最大變形量為

Y=p2EJ·L3=12472×2×105×2×100×3183=0033 mm

0.033 mm<0.05 mm，滿足設計要求。

7輔助零部件的設計

7.1氣缸防護設計

氣缸作為比較精密的部件，在曲軸清洗操作中，為了避免被清洗掉的顆粒、鐵削等雜物沖擊，避免高壓清洗的水流沖擊進氣管接頭或調(diào)速閥等緣故，必須加以防護。因此設計了氣缸防護罩。

7.2檢測裝置設計

機械手抓取工件后，由機器人帶動完成其他的動作，在機器人動作之前，必須檢測工件是否準確的被抓取，避免由于氣缸卡滯、氣源故障、不正常的干涉等因素所導致的氣缸移動不能到位、工件夾緊不可靠等不能正常夾緊抓取的情況發(fā)生。其次，機器人將前一工件放置到指定位置后，需要再次抓取另一工件進行清洗作業(yè)，此時需要確認氣缸是否完全伸出，機械手是否完全張開，此時也必須進行檢測。所以，機械手需要有兩個位置的檢測，即氣缸完全收回、機械手處于正確的抓取狀態(tài)，以及氣缸完全伸出、機械手處于完全張開的狀態(tài)。

這兩種檢測均屬于位置檢測，位置檢測的原件有行程開關、光電開關、接近開關、磁性開關等多種，本機械手選用接近開關作為位置檢測的原件，因為它具有防水、價格較低、設計結(jié)構簡單、檢測準確度能滿足使用要求等優(yōu)點。具體結(jié)構布置如下，在氣缸防護罩上設計兩個孔用來安裝接近開關，兩個孔的距離等于氣缸行程，設計檢測架，使其一端固定在機械手的活動手臂上，另一端裝有檢測塊，檢測塊在氣缸完全收回時與第一個檢測開關對齊，在氣缸完全伸出時與第二個檢測開關對齊。

由于接近開關的電線已經(jīng)接入了機器人的控制系統(tǒng)，在氣缸收回和氣缸伸出時均能檢測到位置信號，可以作為機器人帶動機械手動作的依據(jù)，以保證在曲軸清洗的動作中不會出現(xiàn)異常的故障。避免意外事故的發(fā)生。

8防止銹蝕設計

機械手是在機器人的驅(qū)動下進行各種清洗作業(yè)的，清洗液中的主要成分是水，雖然清洗液具有防止工件銹蝕的成分，但機械手長期在高溫的清洗液中浸泡和沖擊，也必須做好防止銹蝕的設計。

該機械手零件設計時，氣缸防護罩等薄板類零件均采用304不銹鋼材料，具有很好的防銹作用；曲軸兩端的頂尖采用碳素結(jié)構鋼制造，表面拋光后采用鍍硬鉻處理，具有強度和剛性較好、防銹、耐磨性好等優(yōu)點；其它結(jié)構件一般采用結(jié)構鋼制造，并噴砂后經(jīng)過鎳磷浸鍍的表面處理，這種處理工藝具有防銹效果好、鍍層能較好的滲透到零部件的角落和縫隙中，是一種很成熟的防銹工藝。

9細化數(shù)模，完善結(jié)構設計

完成以上輔助設計和精量化設計，機械手臂結(jié)構具體化并輕量化，氣缸按實際結(jié)構尺寸繪制數(shù)模并添加連接，增加氣缸防護罩和位置檢測裝置，重新繪制機械手數(shù)模如圖3所示。

10結(jié)論

按照以上數(shù)模繪制工程圖，編制機械加工工藝，購置氣缸、接近開關等外購件，加工并裝配出試驗樣機。通過一系列試驗和測試，該樣機完全可以滿足拖拉機曲軸生產(chǎn)線清洗機械手的使用要求，說明設計方案合理、可行。

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