張 驊

（山西省太原市西山建筑集團(tuán)有限公司礦建分公司， 山西 太原 030000）

引言

曲軸搬運(yùn)機(jī)械裝置是模仿人的行動的一部分,基于給定的需求計(jì)劃，跟蹤并實(shí)施機(jī)器人機(jī)制以用于自動捕獲、處理或操作。它取代了人們在氣體和輻射等惡劣環(huán)境中的正常工作，越來越多地用于煤炭的開采、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。夾持機(jī)構(gòu)作為搬運(yùn)機(jī)械的重要部件，是直接接觸供給夾緊的工件[1]。為了滿足和供應(yīng)工業(yè)上的需求，各種類型的機(jī)械式夾持器應(yīng)運(yùn)而生，常用的夾持器有連桿杠桿式夾持器、楔塊杠桿式夾持器、滑槽杠桿式夾持器、齒輪齒條連桿式夾持器。本次設(shè)計(jì)以采用齒輪和齒條式結(jié)構(gòu)的夾持器為例，該夾持器主要是由一個齒輪和另外一個齒條所組成，如果一個齒條向下運(yùn)動時，夾持器就會松動，反之，夾持器就會夾緊。因?yàn)榇祟悐A持器的夾緊應(yīng)力較高，一些比較重的東西也都能被夾住，具有較強(qiáng)的通用性，能夠充分地滿足大多數(shù)工業(yè)設(shè)計(jì)中的需要[2-3]。

1 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：首先要在充分了解和分析所設(shè)計(jì)的裝置的需求上，設(shè)計(jì)最合理的夾取工序和操作流程以及工藝方法，使其滿足提出的設(shè)計(jì)要求和功能要求，并且盡可能地節(jié)省時間和節(jié)省能源；明確同時操作的工件的形狀和材料特性, 確定適當(dāng)?shù)陌殉址椒ê投ㄎ环椒?。定位方法和夾取方法力求做到能夠可靠精確地夾取工件；根據(jù)上述的工作確定控制方法和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)裝置的控制和自動化。

1.1 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案

最一般的夾緊類型通常有2 種：多指型、雙手類型。夾取工件分為2 種：模擬人類手指的運(yùn)動、以手指為支點(diǎn)變換，可以分為2 個點(diǎn)的移動和直接（或變換）這2 種。兩個手指是支點(diǎn)，兩個支點(diǎn)之間的距離將無限縮小，從而導(dǎo)致手指旋轉(zhuǎn)。如果旋轉(zhuǎn)手指無限長，則它們會移動。手指變形角度小，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，應(yīng)用廣泛。移動式應(yīng)用相對較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手指不能影響其軸線位置，可適應(yīng)直徑的變化。本設(shè)計(jì)采用兩種夾緊方式，如圖1 所示。

圖1 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案

夾緊機(jī)構(gòu)采用雙手指夾，現(xiàn)有的電位計(jì)油缸和液壓缸采用夾緊方式，也采用機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。由于空間限制和經(jīng)濟(jì)原因，采用機(jī)械傳動。電源是步進(jìn)馬達(dá)。步進(jìn)電機(jī)的輸出軸和一個偏心盤相連接。通過偏心盤的轉(zhuǎn)動，帶動夾持夾爪繞著中心旋轉(zhuǎn)，從而夾緊或者松開。其中彈簧機(jī)構(gòu)的作用是在勾爪夾緊后需要松開時，偏心盤轉(zhuǎn)動，使得夾持夾爪回位，松開曲軸。連接軸將固定外殼和夾持夾爪固定在一起，并且使得夾持夾爪可以繞著連接軸轉(zhuǎn)動。詳見圖2。

圖2 夾持機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案

1.2 設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題

1.2.1 具有足夠的握力（即夾緊力）

此外，在夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，除了工件的重量外，還必須考慮在驅(qū)動或操作過程中產(chǎn)生的慣性力和振動，以防止工件松動或下落。

1.2.2 手指間應(yīng)具有一定的開閉角

將兩根手指的兩個極端位置的開閉角度稱為手指的開閉角度。手指的打開/關(guān)閉角度確保工件的平穩(wěn)進(jìn)出，并且在工件的不同直徑時必須考慮工件的直徑。可以打開或關(guān)閉手指類型。

1.2.3 保證工件準(zhǔn)確定位

為了保持手指和工件之間的相對位置較為精確，必須根據(jù)所捕獲的工件的形狀來選擇手指的形狀。例如，環(huán)表示可用于以曲軸為中心自動定位的工件。

1.2.4 具有足夠的強(qiáng)度和剛度

除了工件的反作用力之外，它還影響機(jī)械過程中的慣性運(yùn)動和振動，但是需要足夠的強(qiáng)度和剛度以防止斷裂和彎曲變形。手腕主手中心的構(gòu)造緊湊，重量輕，能夠減少手腕轉(zhuǎn)矩。

紹圣元年山谷所作詩文亦多禪語，張耒《贈無咎以“即見君子，云胡不喜”為韻》為證：“黃子少年時，風(fēng)流勝春柳。中年一缽飯，萬事寒木朽。室有僧對談，房無妾侍帚。”（轉(zhuǎn)引自龍延《黃庭堅(jiān)早期禪學(xué)源流論考》，《重慶郵電學(xué)院學(xué)報·社會科學(xué)版》，2003年第5期）

2 計(jì)算分析

2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算

手指的夾緊力對于整個機(jī)械裝置的穩(wěn)定和夾持的可靠性有嚴(yán)重的影響，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)主要需要考慮的因素。需要夾緊力以確保工件移動期間工件的重力和移動期間的慣性載荷以穩(wěn)定工件的運(yùn)動。手指對工件的夾緊力FN計(jì)算：

式中：K1為安全率，通常為1.2～2.0；K2為工件條件系數(shù)主要考慮慣性力的影響；g 為重力加速度；a 為承載工件時重力方向的最大上升加速度；vmax為工作轉(zhuǎn)移期間重力方向的最大增加率，取0.07 m/s；t響為當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大速度時，通常會采取0.3～0.5 s；K3為方位系數(shù)根據(jù)手指或工件的形狀、手指或工件的位置而被選擇K3=0.9～1.1；G 為捕獲工件所的重力，N。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）可得：FN≥160 N。

手指夾緊由電機(jī)驅(qū)動偏心輪實(shí)現(xiàn)，則驅(qū)動電機(jī)的所受的載荷為：F夾緊=160 N。

2.1.2 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算

設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂在實(shí)際的運(yùn)動過程中會存在由原點(diǎn)位置變化到極限位置仰角θ2并且回復(fù)原位的過程，在這過程中，存在加速度，在加速度達(dá)到最大時，鉸接活塞桿的載荷F俯仰通過計(jì)算得到的力此時（即俯仰驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動力）達(dá)到最大。在實(shí)驗(yàn)觀測和計(jì)算的基礎(chǔ)上，可以得到垂直方向的最大速度v=0.07 m/s，持續(xù)時間是t=0.1 s，由于該過程不是均勻運(yùn)動，因此最大驅(qū)動扭矩大于理論平均值，通常是平均值的1.3 倍。然后變槳驅(qū)動電機(jī)負(fù)載：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：F俯仰=151.06 N。

2.1.3 手腕擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算

該設(shè)計(jì)由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。氣缸蓋通過法蘭連接到臂活塞桿，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 手部結(jié)構(gòu)簡圖

機(jī)械臂手腕轉(zhuǎn)動是需要驅(qū)動源進(jìn)行驅(qū)動，在這里這個驅(qū)動源的驅(qū)動力的大小通過手指抓取工件的慣性力和在回轉(zhuǎn)部位的摩擦力進(jìn)行計(jì)算。如果繞其軸心轉(zhuǎn)動，則在起動過程中不是均勻的運(yùn)動，因此最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比理論上平均值稍大，在計(jì)算時一般為1.3 倍。而且傳動過程中也存在機(jī)械損失、齒輪傳動的機(jī)械效率ηm（0.9～0.99），驅(qū)動力矩按下式計(jì)算：

式中：Tf為摩擦力矩（包括各支承處的摩擦力矩），N·m；Ta為起動時慣性力矩，N·m；J 為臂相對于旋轉(zhuǎn)軸的慣性矩，N·m；Δω 為速度變化量，rad/s；Δt 為所需的驅(qū)動時間或制動器旋轉(zhuǎn)時間，通常為0.1～0.5 s。輕負(fù)載低速運(yùn)動部件取較小的值，重負(fù)荷高速部件取較大的值,行走機(jī)器通常采用=0.5～1.5 m/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）可得：Tf=0；Ta=（20.26+3.2）×=23.26 N·m；T手腕=31.8 N·m。

2.1.4 機(jī)身擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算

機(jī)身的擺動部位的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須按照最初起動時的慣性力矩和不能繞反轉(zhuǎn)展開部件移動的摩擦轉(zhuǎn)矩而停止。在轉(zhuǎn)動時，在起動過程中，不是均勻加速的狀態(tài)，因?yàn)閷?shí)際的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大于理論平均值，所以這里取1.3 倍。在傳輸過程中也存在損失，考慮到錐齒輪的機(jī)械效率ηm（0.9～0.99），驅(qū)動扭矩計(jì)算如下：

在計(jì)較臂部部件的轉(zhuǎn)動的慣量時，可將外形復(fù)雜的零件簡化為幾個外形簡易的零件，這需要簡單部件的慣性運(yùn)動。在零的情況下在手臂的伸縮運(yùn)動方向的軸向尺寸和距離對旋轉(zhuǎn)軸的重心比沒有超過一半的情況下，一般能夠?qū)⑵渥鳛橘|(zhì)點(diǎn)計(jì)算，由此，能夠使計(jì)算的誤差不超過5%。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（4）計(jì)算得出以下結(jié)果：Tf=0；=232.6 N·m；T手臂=318.3N·m。

2.2 檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，底部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對整個轉(zhuǎn)運(yùn)過程十分關(guān)鍵，尤其是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的精度直接影響到曲軸是否能準(zhǔn)確地被運(yùn)送到?jīng)_壓設(shè)備正下方。因此在底部旋轉(zhuǎn)部件上安裝了相關(guān)的檢測傳感器。分別為兩個磁感應(yīng)開關(guān)，兩個接觸開關(guān)。

在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)運(yùn)行過程中，各部件的運(yùn)行位置需要被及時地反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)檢測位置到達(dá)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時，部件停止運(yùn)動或者進(jìn)行下一動作。根據(jù)機(jī)械部分的行程可柔性調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值，以滿足不同的工況要求。

3 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)中，曲軸搬運(yùn)機(jī)械裝置夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)取得了一定的進(jìn)展，相對于專用機(jī)械手，這種通用機(jī)械手可應(yīng)用的范圍更加廣泛。當(dāng)然設(shè)計(jì)上還存在一些不足，由于沒有很具體地考慮實(shí)際生產(chǎn)的需要，所以設(shè)計(jì)的方案有可能不太適合于實(shí)際生產(chǎn)，還需要在實(shí)踐中進(jìn)行完善和改進(jìn)。