王文博，劉躍坤，周黎明

（商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000）

1 蝸輪連桿機(jī)械的總體設(shè)計(jì)方案

此設(shè)計(jì)的機(jī)械手由電機(jī)和氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)。利用四桿機(jī)構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)手臂的旋進(jìn)和旋出。當(dāng)手臂旋進(jìn)后，整體機(jī)身會(huì)有一個(gè)橫行前進(jìn)的位置。當(dāng)整體機(jī)身橫行前進(jìn)到手爪能完全夾取產(chǎn)品的料柄時(shí)，手爪夾緊。夾取完后手臂旋出至后退限，手爪有一個(gè)90°的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，然后松開(kāi)手爪將壓鑄件放至傳送帶。

2 蝸輪連桿機(jī)械手的組成和特點(diǎn)

蝸輪機(jī)械手是由底座、橫行機(jī)構(gòu)、取出機(jī)構(gòu)組成。連接電機(jī)的減速箱固定安裝在工作面板的下方作為一個(gè)整體套裝在橫行導(dǎo)桿上；取出機(jī)構(gòu)的支撐桿安裝在工作面板上并和手臂連接以起到支撐手臂的作用，主動(dòng)桿與主動(dòng)軸和手臂連接，帶動(dòng)手臂和支撐桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，取件機(jī)械手的取出機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)點(diǎn)均為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

3 蝸輪連桿機(jī)械手的設(shè)計(jì)

蝸輪連桿機(jī)械手設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 蝸輪連桿取出機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

3.1 手臂和夾爪的設(shè)計(jì)方案

本機(jī)械手采用的是連桿式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)要求最終尺寸確定如下：主動(dòng)桿：443mm；副桿：550mm；主副桿間的連桿：219mm；手臂總長(zhǎng)：1140mm；主動(dòng)桿和副桿安裝點(diǎn)的中心距：250mm；分量dx=112mm，dy=219mm，主動(dòng)桿的回轉(zhuǎn)角度為150°，副桿的回轉(zhuǎn)角度為100.84°。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)可設(shè)計(jì)其手爪所夾取的工件料柄直徑范圍為Ф50mm～Ф90mm,選取所夾取的料柄直徑為Ф60mm。所夾取的工件重量選取4kg。驅(qū)動(dòng)手爪夾緊和松開(kāi)所用氣缸的行程為20mm，手爪夾緊時(shí)所張開(kāi)的角度為55.05°，手爪松開(kāi)時(shí)張開(kāi)角度為84.86°。

3.2 相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

首先需計(jì)算出手臂需要的轉(zhuǎn)矩及功率，從而再確定出電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和型號(hào)等。經(jīng)計(jì)算，可選取的電機(jī)型號(hào)為T(mén)CBP7112 0.37kW B3。

（1）橫行氣缸的設(shè)計(jì)。機(jī)身進(jìn)行水平橫行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要克服摩擦阻力（包括氣缸與活塞之間的摩擦阻力、導(dǎo)向桿與軸承套之間的摩擦阻力等），還要克服啟動(dòng)、停止過(guò)程中的慣性力以及背壓等幾方面的阻力。計(jì)算后選擇橫行氣缸型號(hào)SCA2-50-250。

（2）夾爪旋轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)手臂旋出至后退極限位置時(shí)，手爪需要一個(gè)將物料由水平方向轉(zhuǎn)至豎直方向的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，然后夾手松開(kāi)，放開(kāi)物料，這樣放置物料更方便，不會(huì)導(dǎo)致物料損壞。

①手爪驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。圖1為連桿杠桿式手爪結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行手爪受力分析。作用在治具缸接頭1上的驅(qū)動(dòng)力為F，兩連桿2對(duì)治具缸接頭的反作用力為F1、F2。

圖1 連桿杠桿式手爪結(jié)構(gòu)

手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算：

式中：K1為安全系數(shù)，取K1=6；K2為工作情況系數(shù)，K3為方位系數(shù)，根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表2選取K2=5；G為被抓取工件所受重力（N），G=40N。由式（1）中的手爪結(jié)構(gòu)的受力分析驅(qū)動(dòng)力F，由連桿杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算得：F計(jì)算=970.89N。取手指?jìng)髁π师?0.8；則：F實(shí)際=1088.61N。

③夾緊缸的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算。手爪的驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)方式，即運(yùn)用氣缸驅(qū)動(dòng)。所選用的氣缸為單作用彈簧復(fù)位氣缸，其工作壓力為0.5MPa。選用氣缸為SDA-63-20-B。

根據(jù)前面所所述及相關(guān)計(jì)算，得出部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：蝸桿減速器的模數(shù)2，減速比60，蝸桿分度圓直徑25mm，蝸桿頭數(shù)1，蝸輪齒數(shù)60；選用TCBP7112 0.37kW B3型號(hào)的電機(jī)；選用橫行氣缸的型號(hào)為SCA2-50-250；選用AD-2525型號(hào)的緩沖器；選用的夾爪旋轉(zhuǎn)氣缸型號(hào)為QGK-2RSD40T9 0-A2；選用SDA-63-20-B型號(hào)的夾緊缸。

3.3 機(jī)身設(shè)計(jì)

機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。

臂部和機(jī)身的配置形式基本上反應(yīng)了機(jī)械手的總體布局。機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這種機(jī)械手是具有橫行前進(jìn)功能的，當(dāng)然在某些情況下也可以撤銷(xiāo)橫行前進(jìn)的功能，這要視具體的工作情況而定。此次所設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有橫行前進(jìn)功能。

圖2 機(jī)身設(shè)計(jì)的軸測(cè)實(shí)物視圖

如圖2所示為機(jī)身的軸測(cè)實(shí)物視圖，地基板與底座相固定，地基板固定于底面上，而橫行座固定在底座上面。軸承套通過(guò)固定在橫行座上的兩導(dǎo)桿而固定在橫行座上，在橫行坐的左面固定安裝一氣缸，氣缸的活塞桿與軸承套相連接，而軸承套的正面與橫行箱體通過(guò)螺栓相連接，剎車(chē)電機(jī)與渦輪減速箱相連接，兩部分作為整體與橫行箱體相連接，這樣就可以將整個(gè)裝置緊密的連接在一起。在給氣缸通氣后，氣缸通過(guò)活塞桿將軸承套向前推動(dòng)，這樣軸承套就可以帶動(dòng)箱體整體一起運(yùn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)身的橫行前進(jìn)。箱體的兩極限位置是由安裝在軸承套上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)座上的兩行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制控制箱體的開(kāi)始位置以及停止位置。微動(dòng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉是通過(guò)固定在導(dǎo)桿和輔助導(dǎo)桿上的橫行撞塊上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)撞塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)箱體運(yùn)動(dòng)到左邊微動(dòng)開(kāi)關(guān)位置時(shí)，觸碰微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，這樣控制系統(tǒng)將接受信息，控制氣缸進(jìn)氣，這樣橫行箱體將停止在極限后退位置上，同理當(dāng)箱體運(yùn)動(dòng)到右邊觸碰到右邊的微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，控制系統(tǒng)接受信息，控制氣缸進(jìn)氣，箱體將停止在前進(jìn)極限位置上。兩橫行撞塊的安裝位置將影響整個(gè)箱體的開(kāi)始位置和終止位置。手臂是通過(guò)安裝在減速箱上的渦輪軸心和箱體上的副軸心來(lái)固定位置的，這樣就可以帶動(dòng)整個(gè)手臂以及手爪運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章在得到取件機(jī)的大致結(jié)構(gòu)尺寸及基本參數(shù)之后，對(duì)蝸輪連桿取件機(jī)械手的手臂和夾爪進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蝸輪減速箱、橫行氣缸、緩沖器等進(jìn)行了計(jì)算和選型。