自动搬运机械手设计

自动搬运机械手设计

赵彦超

长春大学 吉林省长春市

摘要：依据既定方案，本文对设备的机械结构进行了详细设计，运用Solid works软件完成了三维建模和二维图纸的处理。在ANSYS仿真环境中对机械手的关键零部件做了有限元分析，优化了部分结构，验证了结构的强度刚度均满足实际工况下的使用要求，并在一定程度上排除了机械手工作过程中发生共振破坏的危险。

关键词：汽车轴承生产线；自动搬运机械手；结构设计；控制系统；样机应用

一、机械结构方案设计

（一）夹取方案

自动搬运机械手的首要功能是对汽车轮毂轴承的取放:，这部分功能由夹取机构来完成。夹取机构的方案包含驱动单元和执行单元。根据所要夹取的工件重量，可以采用的驱动方式有气动和电动两种。由于对汽车轴承的夹取只需确定起始和终止两个位置，并不需要对中间运动过程进行控制，所以从经济性与便捷性的角度考虑，采取气动夹取方案更加合理。

根据气动夹取的思路，对可选用的驱动单元进行搜集后拟定出的气动驱动单元方案。（a）方案一为三指卡盘，（b）方案二为平行夹爪，（c）方案三为支点卡爪。根据汽车轴承的结构可知，三指卡盘驱动单元只能从对应工位的正上方向下进行工件取放；而平行夹爪和支点卡爪则可以在对应工位的侧面夹取工件。从生产线的布局空间来分析，受升降高度所限，首先排除（a）方案。平行夹爪采用平行夹紧的方式，夹紧手指在整个动作过程中始终处于工件的两侧；支点卡爪采用摆动夹紧的方式，夹紧手指放开工件后完全张开，使得手指处于工件前方单侧。虽然两种方式都能完成夹取动作，但是考虑到夹取之后的加工过程，夹紧手指处于工件两侧会对影响机床防护装置的开启，这就需要在后续的移动方案中增加Z方向的移动机构来将夹爪移出机床加工范围。摆动夹紧的方式则不会影响加工过程，可以在移动机构的设计中省略Z向移动机构，相比之下更为方便可行，所以选择方案三作为夹取机构驱动单元的最终方案。

为了适应多种型号的汽车轮毂轴承，执行单元要分成夹杆和夹具两个部分，其中夹具部分采用可以与夹杆快速分离并更换的工装方案；并且为了保证在夹紧过程中工件不受损伤，夹具上将采用尼龙作为接触工件的材料；最后结合工件的外形进行详细的结构设计。综上所述，夹取方案釆用支点卡爪作为驱动单元，配合相应的执行单元实现夹取功能。

（二）移动方案

机械手的移动是完成自动搬运的关键。夹取机构的方案设计使得机械手不需要进行Z向移动就可以完成工件的夹取，所以机械手只需要完成XY两个方向的运动即可实现搬运功能。以自动搬运机械手的正面为基准面，移动机构可以分成X方向的横移机构和Y方向的升降机构。

根据所要承载的夹取机构和工件的重量和，Y方向升降机构的驱动单元方案可以选用气动和电动两种驱动方式之一。由于汽车轮毂轴承外形结构的多样性，导致每种型号工件的夹持原点和升降高度都有所不同，仅靠工装夹具的更换无法完全解决问题，所以升降机构必须采用电动才能更好的控制升降高度。结合定位精度、重复精度、以及高速往复和频繁启停等运动特性进行综合考虑，选用低惯量伺服电机作为驱动单元才能满足要求。基于上述控制精

度、载荷大小以及工件型号等条件，本文提出了升降机构可行性传动方案。

（三）机架方案

机架结构作为整个设备的载体，对布局、设备承重以及稳定运行都起着重要作用。针对企业提出的工作过程可视化需求，机架方案将釆用框架式结构，并搭配透明防护隔板来封装。以生产线的正面为基准。三种机架方案都能满足设备的基本结构需求，但是除此之外，还需要从日常维护和生产线改造难度的角度加以论证。日常维护的难易程度是决定方案优劣的最重要因素，（c）方案三的框架高度最低，虽然能节省空间和材料，但工人的日常维护较为困难，所以首先排除方案三。其次，从生产线的改造难度来讲，（a）方案一中的框架高度虽然方便维护，但完全遮挡住了三个工位正面的空间，导致生产线机床的操作面板都需重新调换位置，加大了改造难度，所以排除方案一。（b）方案二的外形设计使工人可以打开中间最高的防护门，进行维护难度不大；并且绕开了机床操作面板的位置，降低了改造难度，节约了空间。

二、控制系统方案设计

自动搬运机械手的控制紊统需要由控制同路、人机交互系统和控制程序三部分组成。控制系统设计是整个工程中的重要环节。硬件控制回路主要包括控制器、伺服运动控制、气动控制等几个要点。

常用核心控制器有PLC和单片机。单片机虽然能够实现更加复杂的算法并拥有更强大的数据处理能力，但程序运行稳定性差、在复杂恶劣环境中抗干扰性不足；PLC采用循环刷新的程序执行方式，相比之下更加稳定、不易出错，它是针对工业环境而开发的工业品，更加适合本课题所面临的生产线环境。伺服运动控制的核心在于电机驱动

器，为了保证电机的稳定控制并最大限度的发挥其性能「驱动器将根据伺服电机的选型进行配套选用。电磁阀是气动控制的关键，在调试设备或者出现故障的情况下，气缸立即停止动作可以防止事故，这需要电磁阀具备中位保压功能；采用双电控电磁阀更为稳妥，本文选用中封式三位五通电磁阀。人机交互系统的重点在于控制面板，控制面板需要实现设备的监控、工件型号切换与保存、报警记录和运行动态显示等各项操控功能，采用触摸屏加上少量控制按钮的组合方案是最佳选择。

三、自动搬运机械手结构设计

在确定自动搬运机械手各部分的方案后，本章将根据既定方案对夹取机构、升降机构、横移机构以及机架结构进行详细设计。并将各个结构组合成整体，在设计过程中完成零部件的选型。结构设计完成之后，使用有限元法对机械手的关键零部件进行仿真分析，达到优化结构以及校核结构安全性的目的。

夹取机构由工装夹具、夹杆和广角卡爪组成，用来完成Z方向的工件夹取。工装安装在两侧夹杆各一个，每个工装分为上下两部分，中间由连接块连接，通过拉环快锁插销将工装固定在夹杆上，方便更换与维护。工装上半部分包括夹板和垫块，在夹杆的带动下完成夹取动作，夹板顶端尼龙材质的垫块使工件不受损伤；工装的下半部分是一块月牙形支撑板，夹杆闭合后它的尺寸介于工件外圈与法兰之间。假如工件松脫，下方的支撑板可以卡住工件的法兰，起到保护工件和设备的作用。广角卡爪是夹取机构的驱动元件，利用内部气缸推动支点来带动夹爪进行90。转动，从而完成夹取动作。

参考文献：

[1]陈启锐,李鸿亚,姜岳峰等.基于视觉识别技术搬运机械手设计探究[J].工程机械,2023,54(07):141-145+13-14.

[2]郭志冬.基于PLC的小型三轴机械手工作台设计[J].湖北工业职业技术学院学报,2023,36(03):81-84.

[3]于庆熙,荣震杰,王培坤等.冲压上下料机械手控制系统设计[J].现代制造技术与装备,2023,59(06):116-118.