杜慧林,高志彬,劉志紅

(青島理工大學(xué)機械與汽車學(xué)院，山東 青島 266520)

1 氣壓傳動上料機械手整體設(shè)計

根據(jù)工作要求設(shè)計的上料機械手具有3個自由度，利用氣動系統(tǒng)完成回轉(zhuǎn)運動、伸縮運動、升降運動和工件的夾緊操作。通過對上料機械手的控制操作將血液檢測組件的塑料支架、橡膠圈、玻璃片、塑料片放置在檢測儀的適當(dāng)位置，完成血液檢測組件的自動化裝配[3]。

當(dāng)機械手工作時，機械手手爪夾緊氣缸抓取工件，通過升降氣缸作用提到所需高度，在伸縮氣缸作用下水平移動到所需位置，立柱內(nèi)部的回轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)所需角度，然后夾緊氣缸放松，物體被放置，最后氣動機械手復(fù)位[4]。

圖1 上料機械手總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure of feeding manipulator

設(shè)計過程中，整機的回轉(zhuǎn)、伸縮與提升操作分別由電機、伸縮氣缸和升降氣缸實現(xiàn)。整機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)由步進電機轉(zhuǎn)軸與整機轉(zhuǎn)軸通過銷釘固定連接，當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使整個機械手轉(zhuǎn)動合適的角度，以完成工件的正確放置。為保證回轉(zhuǎn)精度，采用推力球軸承用于工件連接[5]。伸縮氣缸通過螺釘與大彎板連接，大彎板則通過螺釘與轉(zhuǎn)軸固定連接，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸帶動整個機械手轉(zhuǎn)動和平移運動。上料機械手總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機械手通過升降氣缸和夾緊氣缸與手爪連接完成工件的提升和夾緊工作，其中升降氣缸通過連接桿、轉(zhuǎn)臺和活塞等連接件來實現(xiàn)與手爪的連接[6]。為防止機械手手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，保證手爪的正確方向，并使活塞桿不承受較大的彎曲力矩作用，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時采用導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置通過導(dǎo)向桿實現(xiàn)。

機械手夾緊工作除了夾緊氣缸工作外，還依靠手爪和傳力機構(gòu)的作用。設(shè)計采用夾持式手部結(jié)構(gòu)和雙爪式機械手，利用手爪上罩板通過銷、擋圈彈簧和齒條連接，手爪采用齒弧輪。在氣缸的帶動下，齒條與齒弧輪嚙合實現(xiàn)手爪的開閉即工件的取放。氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，手部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 升降氣缸與手爪連接結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of lifting cylinder and claw joint

圖3 手部結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Hand

本文設(shè)計的上料機械手最大抓取質(zhì)量約為1 kg，水平方向(定義為X軸)最大移動速度為1.2 m·s-1，最大行程為200 mm，豎直方向(定義為Y軸)平均移動速度為1 m·s-1，升降行程為160 mm，最小回轉(zhuǎn)速度為1.8(°)·s-1，最大回轉(zhuǎn)速度為120(°)·s-1，手臂回轉(zhuǎn)行程為360°。機械手驅(qū)動系統(tǒng)采用電、氣結(jié)合的方式，氣缸工作順序通過PLC控制[7]。

2 機械手控制系統(tǒng)的選擇與參數(shù)設(shè)置

2.1 氣缸

2.1.1氣缸內(nèi)徑

取轉(zhuǎn)接3次后的上述培養(yǎng)液1 mL適當(dāng)稀釋后分別涂布于MRS初篩平板和ATB初篩平板上，25℃培養(yǎng)48 h后，以菌落周圍有透明圈的菌落為目的菌進行挑菌，革蘭氏染色，斜面保存陽性菌并進行后續(xù)驗證及保藏。

缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小,可根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力從而選擇氣缸[8]。在選擇缸筒內(nèi)徑尺寸時首先要確認使用條件，確定有關(guān)負載質(zhì)量。負載包括工件、夾具、導(dǎo)桿等可動部分的質(zhì)量。常用的負載率μ：(1)垂直使用時，μ=0.5；(2)水平使用時，μ=1，即實際輸出力與理論輸出力相等；(3)夾緊、壓入時，μ=0.7。

1)夾緊氣缸?？紤]到機械手中夾緊氣缸做夾緊運動，根據(jù)負載率選用條件確定夾緊氣缸負載率為0.7。在抓取血液檢測組件時夾緊氣缸的負載質(zhì)量m約為1 kg，負載力F=mg=9.8 N,即升降氣缸至少需要輸出9.8 N的力。考慮到工作需要選定工作氣壓p=0.5 MPa，根據(jù)公式R2=F/(μ·π·p) ，可以得出氣缸直徑D=2R=18.9 mm。但設(shè)計時考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,導(dǎo)致選用的氣缸直徑實際數(shù)值應(yīng)比18.9 mm大一些，結(jié)合氣缸缸徑尺寸系列表最終選定氣缸直徑為25 mm。又因活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，所以對應(yīng)的活塞桿直徑為6 mm。

2)升降氣缸。考慮到機械手的升降氣缸做垂直運動，選定氣缸負載率為0.5。機械手手爪連接件和工件質(zhì)量選定升降氣缸的負載質(zhì)量約為2 kg，負載力F=mg=19.6 N,由公式R2=F/(μ·π·p)得出氣缸直徑D=2R=22.3 mm。設(shè)計時考慮到安全系數(shù)為1.0～1.3,選擇氣缸缸徑為25 mm，根據(jù)活塞桿的直徑與缸徑比為0.2～0.3，因此選擇活塞桿直徑為10 mm。

3)伸縮氣缸。 因升降氣缸為微型氣缸，所以本文設(shè)計中伸縮氣缸的負載重量大致與升降氣缸的負載重量相等，綜合上述對升降氣缸的設(shè)計分析可以選擇缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm的伸縮氣缸。 則缸徑為25 mm的氣缸理論輸出力F0=P×A=240.2 N，其中A=π·R2。經(jīng)過查詢雙作用氣缸輸出力表可知設(shè)計符合要求。

2.1.2 氣缸行程

氣缸行程是指氣缸桿從縮回到伸出的最大長度，它與使用的場合和機構(gòu)的行程有關(guān)，在選定氣缸的行程時首先根據(jù)工作需要確定工作的移動距離選擇行程，但一般為了防止活塞和缸蓋相碰選用預(yù)留行程。氣缸的長度L應(yīng)根據(jù)所需要的行程來確定，由于夾緊氣缸在上料機械手中起夾持作用，導(dǎo)桿長度不需要太長，所以在本文設(shè)計中采用SDA25X10的氣缸組件。 升降氣缸和伸縮氣缸根據(jù)工作需要經(jīng)查閱氣缸行程優(yōu)選標準分別選定行程為160 mm和200 mm。

2.1.3 氣缸的系列

本次設(shè)計的氣動機械手要抓取的工件較輕，所以升降氣缸盡量采用較薄型微型氣缸，以減輕伸縮氣缸的負載質(zhì)量。又因考慮到機械手機構(gòu)的整體穩(wěn)定性和工作需要選擇雙桿氣缸。根據(jù)上文分析可知，升降氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為160 mm的氣缸，伸縮氣缸選用缸徑為25 mm，氣缸桿為10 mm，行程為200 mm的氣缸。根據(jù)上述條件，可以選定升降氣缸系列為MAL,即MAL微型氣缸，采用復(fù)動型工作方式；伸縮氣缸系列為TN,即TN系列雙桿氣缸。綜上分析，根據(jù)工作需要和氣缸選擇原則，上料機械手選擇的夾緊氣缸型號為SDA25X10，升降氣缸型號為MAL25X160，伸縮氣缸型號為TN25X200。

2.2 步進電機

步進電機在構(gòu)造上可分為3種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。因混合式步進電機輸出力矩大、動態(tài)性能好，步矩角小，所以在此次設(shè)計中選用混合式步進電機[9]。

2.2.1 步距角

電機的步距角取決于負載精度的要求。目前，市場上步進電機的步距角一般有0.36°/0.72°(五相電機)、0.9°/1.8°(二、四相電機)、1.5°/3°(三相電機)等。根據(jù)設(shè)計要求選擇步距角為1.8°，即選擇二相步進電機。

2.2.2 靜力矩

根據(jù)電機工作時的負載選擇靜力矩，機械手工作時的負載可分為慣性負載和摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2～3倍，靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定。所以

M=M慣+M摩,

(1)

式(1)中：M為電機的轉(zhuǎn)動力矩，單位為N·m；M慣為加速啟動時的慣性力矩，單位為N·m；M摩為恒速運行時的摩擦力矩，M慣=0.3M摩。

(2)

式(2)中：J為負載慣量，單位為kg·cm3；t為時間常數(shù)，t=25 ms。又

(3)

式(3)中：ζ為脈沖當(dāng)量；θ為步距角，θ=1.8(°)·s-1；W為轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，單位為kg。

計算得到此時電機轉(zhuǎn)動力矩M=47.67 N·m。為使步進電機正常啟動運行并滿足電機對轉(zhuǎn)速的要求，啟動力矩應(yīng)選為M啟≥2M，又由于步進電機的最大力矩發(fā)生在電機快速啟動時，即最大力矩等于啟動力矩，所以Mmax=M啟=94.34 N·m。綜上計算分析，選擇型號為103-771-2241的兩相混合式步進電機。

2.3 回轉(zhuǎn)軸

上料機械手通過安裝在回轉(zhuǎn)軸上的傳動零件完成動力傳遞，傳動軸用來傳遞扭矩而不承受彎矩，傳動軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為

(4)

式(4)中：τ為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa；T為傳動軸所受的扭矩，單位為N·m；Wr為傳動軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r·min-1；P為軸傳遞的功率，單位為kW；d為計算截面處軸的直徑，單位為mm；[τ] 為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。計算可得d=13.26 mm，考慮到端面上開有步進電機主軸的安裝孔，所以應(yīng)適當(dāng)增加軸徑來增加軸的強度，則最終選擇軸徑為15 mm的回轉(zhuǎn)軸。

2.4 軸承

滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動阻力小，而且標準化程度高，潤滑和維護方便，因此設(shè)計中優(yōu)先采用滾動軸承。因考慮到在輕載工況下工件質(zhì)量較小，且在機械手作業(yè)時只承受單向的軸向載荷，所以最終選擇單向推力球軸承。 設(shè)計選定回轉(zhuǎn)軸直徑為15 mm，根據(jù)以上軸承的選用規(guī)則，結(jié)合本文機械手的設(shè)計要求，選擇型號為51102的推力球軸承。

3 動力學(xué)仿真

利用ADAMS仿真軟件進行血液檢測組件上料機械手動力學(xué)仿真。首先，根據(jù)實際情況合理定義模型的材料特性，考慮到機械手在作業(yè)中的剛性和穩(wěn)定性，選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。材料密度為7 800 kg·m-3，楊氏模量為2.07 MPa，泊松比為0.29。然后，添加相鄰部件之間的運動副：轉(zhuǎn)動部位利用轉(zhuǎn)動副定義，例如電機軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的連接；平動部位利用移動副定義。在分析過程中部件之間的固定連接則直接采用固定約束定義。最后，利用對氣缸移動副施加驅(qū)動的方式模擬機械手運動情況[10]。通過對模型的動力學(xué)仿真，可以驗證模型零件之間連接的正確性，得到X軸方向機械手的運動速度曲線如圖4所示。由圖4可以看出，機械手運動速度大致可分為3個階段，即加速、勻速和減速階段。對機械手水平速度而言，機械手從0 mm·s-1加速到最大速度的過程大約用時0.33 s，且1.2 m·s-1的最高速度與預(yù)期水平方向最大速度相符。通過仿真得出Y軸方向機械手運動速度曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在Y軸方向構(gòu)件運動速度最大為1 000 mm·s-1，與設(shè)計要求相符。

圖4 X軸方向速度曲線Fig.4 X-axis velocity curve

圖5 Y軸方向速度曲線Fig.5 Y-axis velocity curve

4 結(jié)語

以血液檢測組件為工作對象，針對高速、輕載工作狀態(tài)，利用氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計了能夠滿足工作需要的具有回轉(zhuǎn)運動、伸縮運動、升降運動和工件夾緊運動的多自由度兩爪上料機械手。通過對相關(guān)工作部件進行了參數(shù)匹配，最后通過動力學(xué)仿真分析證明了設(shè)計的可行性，由于參數(shù)匹配時僅僅考慮到某一具體物件的工作需要，導(dǎo)致此上料機械手應(yīng)用存在一定的局限性，今后可根據(jù)具體要求通過合理更換電機和氣缸，并適當(dāng)調(diào)整運行距離和頻率，以滿足不同工作需求，促進氣動機械手在多個領(lǐng)域的全面發(fā)展。