馬晟哲，蔣東霖

(長春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長春 130032)

0 引 言

在日常生活中，立式飲水機(jī)因其價(jià)格便宜，操作簡單方便在學(xué)校、辦公室等場合普遍存在。飲水機(jī)的桶裝水容量范圍為3～20 L，家庭、辦公室常用的桶裝水一般為18.9 L，重量大約是20 kg。在飲水機(jī)換水的過程中，需要將水桶抬升至飲水機(jī)的上方，且將飲水機(jī)旋轉(zhuǎn)使其出水口朝下，插入飲水機(jī)水槽中。通過調(diào)查表示，對(duì)于1.7 m的成年男子來說，飲水機(jī)的換取工作是稍費(fèi)勁的，而對(duì)于年紀(jì)偏大的中年人甚至老年人來說，換水工作是很不方便的，而且還有拉傷腰部、手部的風(fēng)險(xiǎn)，而小孩則根本無法換水。

針對(duì)上述存在問題，筆者提出了一種飲水機(jī)水桶自動(dòng)換取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成、原理及各部件的型號(hào)選擇，設(shè)計(jì)了該裝置并證實(shí)了其可靠性，解決了人力換水困難的問題，實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)水桶換取的自動(dòng)化。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

飲水機(jī)水桶自動(dòng)換取機(jī)械手搭載在車體上，車體部分長900 mm、寬600 mm，高550 mm，該型號(hào)的主執(zhí)行端初始高度為630 mm，執(zhí)行高度為1 450 mm。整體由主執(zhí)行端、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移升降機(jī)構(gòu)、副執(zhí)行端四個(gè)部分組成。如圖1所示為產(chǎn)品總體預(yù)覽圖。

圖1 飲水機(jī)水桶自動(dòng)換 圖2 主執(zhí)行端抓取機(jī)構(gòu) 取機(jī)械手預(yù)覽圖

此產(chǎn)品包含執(zhí)行端機(jī)械手的設(shè)計(jì)，以及各個(gè)輔助完成整個(gè)功能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過各個(gè)部件的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)水桶的換取。裝置工作過程中，小車運(yùn)行至飲水機(jī)位置，主執(zhí)行端部件通過平移升降機(jī)構(gòu)移至抓取水桶的合適位置，并通過氣缸移動(dòng)真空吸盤，使吸盤牢固吸附水桶表面。升降機(jī)構(gòu)開始抬升水桶，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，旋轉(zhuǎn)主執(zhí)行端，將水桶的出水孔朝下，并升至最高處[1]。小車移動(dòng)，調(diào)整位置，對(duì)準(zhǔn)飲水機(jī)的水槽后，主執(zhí)行端下降，使得水桶成功安裝在飲水機(jī)上，平移升降機(jī)構(gòu)配合小車反方向運(yùn)動(dòng)，撤出機(jī)械爪完成水桶換取。

飲水機(jī)上存在空水桶時(shí)，裝置首先取下空水桶將其立于地面，此時(shí)車體旋轉(zhuǎn)，調(diào)整位置，對(duì)準(zhǔn)車體尾部，副執(zhí)行端通過齒輪齒條配合移動(dòng)到合適的位置，舵機(jī)爪工作實(shí)現(xiàn)空水桶的抓取，并將其運(yùn)送至車體的后備箱中。完成飲水機(jī)水桶的安裝后，可帶著空水桶離開。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 主執(zhí)行端

主執(zhí)行端由妙德PFG120 mm真空吸盤、亞德客三桿氣缸、160 mm滾珠絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)桿等一系列固定件組成。能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y軸兩個(gè)方向的位置微調(diào)，X軸方向單邊70 mm的位置調(diào)整，Y軸單邊實(shí)現(xiàn)160 mm的位置調(diào)整。主執(zhí)行端以軸為中心建立中心云臺(tái)，云臺(tái)上下方通過固定豎直方向的絲杠與滑動(dòng)導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行端沿Y軸移動(dòng)，在中心平面上下各分布一對(duì)可沿X軸方向移動(dòng)的真空吸盤，通過外殼固定氣缸，整體可沿導(dǎo)桿移動(dòng)，進(jìn)而吸附物體[2]。氣缸為三軸三桿帶導(dǎo)桿氣缸，實(shí)現(xiàn)吸盤的移動(dòng)與固定。如圖2所示為執(zhí)行端的機(jī)構(gòu)簡圖。中心云臺(tái)長250 mm，高150 mm，上頂面至下底面長530 mm，主執(zhí)行端左側(cè)至右側(cè)長度910 mm，整體可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。

2.1.1 真空吸盤選型

執(zhí)行端設(shè)計(jì)以真空吸盤吸附水桶，設(shè)水桶重量為20 kg，約產(chǎn)生196 N的力。設(shè)計(jì)以4個(gè)真空吸盤。擬通過公式(1)～(3)確定吸盤理論值大小。

W=C×P×0.1×F

(1)

式中：W為吸附力，N；C為吸盤面積，cm2；P為真空壓力，kPa；f為安全系數(shù)(水平懸掛為1/4以上，垂直懸掛為1/8以上)；設(shè)吸盤半徑為R，故吸盤面積C有公式(2)：

C=πR2n

(2)

通過公式(1)、(2)聯(lián)立可得公式(3)：

(3)

結(jié)合公式，W=196 N，垂直吸附重物安全率t=8%，吸盤內(nèi)的真空度P=0.05 MPa=-50 KPa，吸盤的真空度安全系數(shù)為Pv=80%,吸盤數(shù)量n=4個(gè)。計(jì)算得吸盤直徑為120 mm。綜合選擇FSTE PFG120真空吸盤。

2.1.2 氣缸選型

如表1所示為氣缸出力表，設(shè)計(jì)采用4個(gè)氣缸移動(dòng)真空吸盤，故P=0.5 MPa的情況下，選用缸徑為12 mm的氣缸，單個(gè)氣缸理論輸出力為55.37 N。綜合考慮最終選用亞德客缸徑為12 mm，行程為70 mm的三軸三桿帶導(dǎo)桿氣缸。

表1 氣缸出力表 /N

2.1.3 絲杠型號(hào)

根據(jù)絲杠直徑與載荷關(guān)系，執(zhí)行端絲杠安裝方式為固定-自由式安裝(通常為垂直方向)。該安裝方式能夠適用于高精度中轉(zhuǎn)速的場合，有效減少軸承由于熱效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力[4]。一端由兩個(gè)角接觸軸承固定，另一端自由。選型過程，單邊軸向負(fù)荷定為300 N(水桶及材料自重)，安裝間距160 mm，故直徑大小在6 mm以上符合要求，綜合選擇直徑10 mm的絲杠，行程為160 mm。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由新永泰直流無刷減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、GFC-25×30聯(lián)軸器、V帶輸入、滾珠軸套組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件為直流無刷減速電機(jī)，電機(jī)運(yùn)作旋轉(zhuǎn)輸出，通過聯(lián)軸器傳遞扭矩，V帶傳輸扭矩給主執(zhí)行端主軸，主軸與軸套連接主執(zhí)行端，軸套與升降機(jī)構(gòu)第三階機(jī)架通過滾輪接觸。

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2.1 電機(jī)選型

選用的新永泰直流無刷減速電機(jī)，功率為31 W，額定電壓12 V，額定電流為0.8 A，減速比為200，空載轉(zhuǎn)速為20 r/min，負(fù)載最高轉(zhuǎn)速為15 r/min，帶動(dòng)執(zhí)行端4 s旋轉(zhuǎn)一圈，能夠保證桶裝水穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。額定轉(zhuǎn)矩為29 kgf.cm，即約為2.9 N.m，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)桶裝水以及主執(zhí)行端機(jī)構(gòu)。

2.2.2 帶輪及聯(lián)軸器選型

為了充分利用裝置空間，保證傳動(dòng)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中將電機(jī)安裝在升降機(jī)構(gòu)的第三階機(jī)架上，電機(jī)中心與主軸中心距離150 mm，故采用帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)完成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能，傳遞扭矩[5]。通過比對(duì)型號(hào)，GFC-20×30、GFC-20×25與GFC-25×30符合安裝尺寸且適用于電機(jī)額定功率。GFC-20×30與GFC-20×25額定扭矩為2.8 N.m，GFC-20×25額定扭矩為6N.m。為保證安全性，綜合選擇GFC-25×30聯(lián)軸器，其外徑25 mm，長度30 mm，質(zhì)量為33g。

聯(lián)軸器上安裝帶輪內(nèi)徑25 mm，外徑60 mm，安裝過程中，將帶輪套在聯(lián)軸器上，通過聯(lián)軸器上的頂絲固定帶輪。主軸帶輪內(nèi)徑40 mm，外徑60 mm。V型帶輪型號(hào)IN×2 215 10×475，寬帶為8mm，凹槽角為34°，深度11 mm。帶輪傳動(dòng)比為1，電機(jī)傳遞給主軸的扭矩為2.9 N.m，轉(zhuǎn)速為15～20 r/min。

2.3 平移升降機(jī)構(gòu)

平移升降機(jī)構(gòu)由帶滑軌的三階機(jī)架、液壓缸、v型帶輪、滾子鏈組成。升降機(jī)構(gòu)一階機(jī)架高為550 mm，二階機(jī)架長度630 mm，三階機(jī)架長度256 mm。車體前端有移動(dòng)滑軌，機(jī)架通過液壓缸可實(shí)現(xiàn)水平方向的移動(dòng)，可移動(dòng)長度為240 mm。第一級(jí)機(jī)架與滑軌配合，平移液壓缸推動(dòng)第一級(jí)機(jī)架在車體前端前后移動(dòng)。第二階機(jī)架通過升降液壓缸實(shí)現(xiàn)抬升。第三階機(jī)架與第二階機(jī)架通過滑軌配合，在滾子鏈的拉升下，升降主執(zhí)行端。滾子鏈輪子齒數(shù)為27，鏈節(jié)數(shù)為170，鉸鏈兩端固定在第二階機(jī)架上，可在第二階機(jī)架抬升時(shí)，同時(shí)抬升主執(zhí)行端。

圖4 平移升降機(jī)構(gòu)

2.4 副執(zhí)行端

副執(zhí)行端輔助主執(zhí)行端完成整個(gè)飲水機(jī)的換取過程。副執(zhí)行端是由達(dá)盛DS3225舵機(jī)、金屬抓手構(gòu)成的舵機(jī)爪，齒輪、齒條構(gòu)成的平移機(jī)構(gòu)以及可旋轉(zhuǎn)的傳送帶。副執(zhí)行端的行程為600 mm，舵機(jī)可控角度為0～180°副執(zhí)行端通過舵機(jī)爪抓取空水桶，舵機(jī)爪兩端通過齒輪嚙合，執(zhí)行端部位由可旋轉(zhuǎn)的履帶組成。抓手兩端各有一個(gè)舵機(jī)，可旋轉(zhuǎn)履帶，將空水桶略微抬升。副執(zhí)行端可通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)移動(dòng)，將空水桶放于后備箱。

達(dá)盛DS3135型號(hào)的舵機(jī)。其工作電壓為5 V，待機(jī)電流4mA，空載轉(zhuǎn)速為0.15s/60°，堵轉(zhuǎn)電流為1.9A，可工作的角度為0°～180°，負(fù)載扭矩為2.1 N.m，可正常抬升空水桶。舵機(jī)一是用于驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒間嚙合帶動(dòng)夾爪，完成抓取作用，二是驅(qū)動(dòng)履帶，通過履帶與桶間的摩擦力略微提升空水桶[6]。所選用的舵機(jī)型號(hào)能夠滿足工作需求。

圖5 副執(zhí)行端抓取機(jī)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

該設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)水桶的自動(dòng)換取，為用戶換水提供便利。在工作過程中，小車可靈活運(yùn)行至飲水機(jī)位置，進(jìn)行定位。平移升降機(jī)構(gòu)模擬叉車工作方式能夠移動(dòng)執(zhí)行端至抓取位置，其三級(jí)機(jī)架可供二級(jí)抬升，在保證升降高度下，可減小占地空間。主執(zhí)行端通過氣缸移動(dòng)真空吸盤，在各個(gè)方向可準(zhǔn)確的調(diào)整位置，可適應(yīng)多種型號(hào)的水桶換取。各部件易于安裝，可及時(shí)更換或維修相應(yīng)的部件，操作過程簡單，適用人群廣泛，可推廣至多種場合，免去人力負(fù)擔(dān)。

4 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)綜合考慮了立式飲水機(jī)使用過程中存在的問題，以及市面上桶裝水的規(guī)格尺寸，提出了飲水機(jī)水桶自動(dòng)換取機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了主執(zhí)行端、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移升降機(jī)構(gòu)、副執(zhí)行端以完成換水流程，分析計(jì)算了各個(gè)部件的型號(hào)參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)以確保整體結(jié)構(gòu)的可行性。該裝置為桶裝水的換取提供了便捷的新方式，為用戶提供了便利。