侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

一種氣動助力機械臂設計

侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

針對電機轉(zhuǎn)子上料組裝，設計了一種輔助搬運的氣動助力機械臂裝置。該裝置由機械結構、夾具、氣路控制系統(tǒng)及操控盤組成，機械臂由驅(qū)動氣缸平衡重物，達到省力的目的。對氣動助力機械臂進行了整體的結構設計，并進行了理論的分析與計算，采用分析結論和計算結果對錨栓、氣缸進行選型，對關節(jié)的轉(zhuǎn)動軸進行了彎曲強度的校對。同時，提出一種采用儲氣罐和空氣誘導止回閥氣路邏輯控制方法，能保證在斷氣、斷電和氣壓不穩(wěn)定的情況下安全可靠。最后用ANSYS Workbench對關鍵結構進行靜力學仿真分析，結果表明結構的強度和剛度達到使用要求。

搬運；氣動；機械臂

氣動助力機械臂作為一種人機協(xié)同輔助搬運設備，能夠利用機械臂高負載能力和發(fā)揮人的感知能力，高效、靈活、準確地將繁重的物料搬運到指定位置，對于提高自動化生產(chǎn)水平、改善人機工程、提高生產(chǎn)效率，具有十分重要的作用[1]，廣泛應用于汽車制造行業(yè)、電子制造行業(yè)和生產(chǎn)自動化等行業(yè)[2]。然而，氣動助力機械臂在不同的運用環(huán)境有不同的性能要求，如果在實際應用過程中其設計不合理，或者未能達到性能指標要求，將直接影響到使用的安全性和可靠性。因此，本文主要對氣動助力機械臂進行結構設計和力學計算，并提出了一種采用儲氣罐和空氣誘導止回閥電氣邏輯控制方法，能夠有效地保證機械臂使用的安全性和可靠性，相較于傳統(tǒng)的機械而言，更加簡單，運行更加便捷、高效[3]。

本文根據(jù)某車企新能源電機組裝線研究內(nèi)容，探索與設計一種氣動助力機械臂，用于完成電機轉(zhuǎn)子上料組裝，輔助工人沿指定軌跡搬運重50 kg的轉(zhuǎn)子，從物料架位移到裝配線上，要求定位精確、操作方便、安全可靠、有效減輕作業(yè)人員勞動強度。表1是氣動助力機械臂的設計要求。

表1 氣動助力手臂設計參數(shù)

1 氣動助力機械臂結構設計

根據(jù)設計參數(shù)要求進行整體設計，氣動助力機械臂主體結構由連桿、立柱、氣路控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)幾個部分組成，用NX 8.0繪制出三維模型圖，如圖1所示。

1.基座 2.大臂 3.驅(qū)動氣缸 4.平行連桿臂 5.儲氣罐 6.小臂 7.操控盤 8.夾具

氣動助力機械臂機構由基座、大臂、小臂等組成，是一系列連桿組成的空間連桿機構，連桿與連桿有相對轉(zhuǎn)動的運動關系。氣動助力機械臂一端是固定基座，另一端是機械臂的末端執(zhí)行器。氣動助力手臂通過基座固定于地面。在末端執(zhí)行器上焊接有一套抓取夾具，夾具是根據(jù)抓取工件外形和尺寸設計的，通過氣缸完成物料的抓取、釋放。本設計由氣缸提供驅(qū)動力，其工作原理是利用氣體壓力使氣缸活塞桿運動，通過氣缸平衡杠桿，使負載處于懸浮狀，從而達到省力的效果。在小臂上焊接操控盤，控制按鈕安裝在操控盤上，作業(yè)人員通過此操控盤對氣動助力機械臂操控作業(yè)。

圖2是機械臂的結構簡圖，根據(jù)工作的高度和行程的大小，確定機械臂各個機構設計尺寸，機械臂結構尺寸具有不唯一性特點，所以各桿尺寸可以在一定的范圍內(nèi)選取，相關結構尺寸參數(shù)如表2所示。

圖2 氣動助力機械臂結構簡圖

表2 機械臂結構尺寸

基座是機械臂的根基，主干采用160 mm圓管材，材質(zhì)為Q235，有較好的剛度和強度[4]，考慮到機械臂需要的高度，因此高度尺寸設計為1060 mm?；隙酥沃麄€機械臂連桿結構，上端通過螺釘與大臂鎖緊，下端用錨栓與混凝土地面錨緊，兩端采用法蘭盤設計，對于基座的設計除了自身要有足夠的強度和剛度外，還要考慮到與地面固定的可靠。

錨栓分布如圖3所示，錨栓將基座與混泥土地面連接，錨栓組設計呈圓形分布，共使用4根。錨栓組在機械臂自重和負載的作用力下，在基座與地面接觸處形成傾覆力矩，與作用在基座軸線方向形成于平衡的力矩，由于錨栓會擰緊，錨栓還將會受到預緊力0，根據(jù)錨栓組結構和受載情況進行受力分析，以此找出錨栓組中受力最大的錨栓并計算出受力的大小。基座受力分析如圖4所示。

圖3 基座機構圖

圖4 基座受力分析圖

即：

式中：F為第個錨栓所受載荷，N；L為各錨栓軸線到底板圓心軸線距離，m。

因為：

式中：max為錨栓所受最大載荷，N；max為錨栓軸線到底板圓心軸線最大距離，m。

則有：

于是可以得出錨栓所有最大的負載為：

式中：為錨栓總個數(shù)[5]。

機械臂大臂和基座組成一個可以轉(zhuǎn)動的大關節(jié)，結構如圖5所示。轉(zhuǎn)動角度為360°，大關節(jié)為機械臂提供一個轉(zhuǎn)動自由度，轉(zhuǎn)動是通過軸承裝置組件實現(xiàn)的。對于大關節(jié)的轉(zhuǎn)動結構設計，除了要考慮此處受力大小因素外，還要考慮受力方向。在這里，大關節(jié)同時受到了軸向力和徑向力，因此采用深溝球軸承和圓錐滾子軸承的組合設計，可以承受較大的軸向載荷和徑向載荷。

圖5 關節(jié)結構圖

如圖5所示，深溝球軸承和圓錐滾子軸承支撐轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，由于受到來自機械臂自身重力和負載的作用力，在轉(zhuǎn)動軸處形成彎矩，

按照軸所受的彎矩計算軸彎曲強度為：

式中：為轉(zhuǎn)動軸的抗彎系數(shù)，mm3；為軸的直徑，mm；為軸的計算應力，MPa；為軸的彎矩，N·mm。

計算得：＝50204 mm3；σ＝51 MPa。

轉(zhuǎn)軸使用45#鋼材，經(jīng)過調(diào)制熱處理，許用彎曲應力-1＝60 MPa，有σ＜[-1]。

大關節(jié)配置有制動氣缸（圖6），用氣缸的夾緊力抵消大關節(jié)轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動慣量對操作的不利影響。

圖6 制動結構三維模型

圖7是大臂的三維結構圖，大臂呈Y形設計。下端有用于支撐驅(qū)動氣缸的平臺，設計厚度為30 mm。中段采用圓管截面設計，圓管外徑160 mm，壁厚12 mm，圓管兩邊分布安裝儲氣罐和電控箱，上端是U字形狀，安裝平行連桿，并與平行連桿之間通過轉(zhuǎn)動軸和軸承形成轉(zhuǎn)動副連接，U形結構整體厚度為20 mm。驅(qū)動氣缸、電控箱和儲氣罐安裝在大臂上，位置相對集中，可以減少氣路過長帶損耗，增強氣路系統(tǒng)控制靈敏性。

圖7 大臂三維結構圖

圖8是平行連桿和小臂的三維結構圖，平行連桿有上下兩個。為便于后期制造的焊接工藝和關節(jié)設計故采用方管截面的桿件，方管的截面尺寸為長80 mm、寬80 mm、壁厚為8 mm。平行連桿與大臂之間都有轉(zhuǎn)動副，經(jīng)過四桿機構的轉(zhuǎn)換，在機械臂末端執(zhí)行器上轉(zhuǎn)換為上下運動，氣動助力機械臂就是通過這個上下運動把轉(zhuǎn)子從料架搬運到組裝設備上。同時，上端的平行連桿還作為與氣缸連接的杠桿傳遞來自驅(qū)動氣缸的動力。平行連桿和小臂之間關節(jié)在方向和方向各有一個旋轉(zhuǎn)運動。

圖8 平行連桿臂和小臂三維結構圖

2 氣動助力機械臂氣缸選型

本文所設計的氣動助力手臂結構，一端是氣缸，另一端是末端執(zhí)行器，為方便分析與研究把機械臂左右兩端看作是杠桿，其中大臂是杠桿支點，利用杠桿原理相互平衡。氣缸作為手臂的驅(qū)動動力，氣缸提供驅(qū)動力大小決定著機械臂能否提起負載，氣缸缸徑大小決定輸出力的大小，氣缸行程決定著工作范圍，因此對氣缸參數(shù)選取是比較重要的一個環(huán)節(jié)。在氣動助力機械臂所有工況當中，手臂四連桿和末端處于同一個平面時，氣缸側所受到的力矩最大，所以選取此時的狀態(tài)用來計算氣缸的缸徑。在平衡條件下，為更準確地算出氣缸受力大小，還需要考慮機械臂自身的重力。利用NX10測量體功能可以直接計算出杠桿兩端的重心，同時添加材料密度屬性，用分析模塊可以分別計算出機械臂兩端及其夾具重量。

可以得出：

式中：1為平行連桿臂于氣缸連接處受到垂直于地面的力，N；2為4桿件重力，N；8為右端質(zhì)心到支點距離，mm；1為負載重力，N；3為4、5兩段結構重力，N；4為夾具重力，N；9為左端質(zhì)心到支點的距離，mm。

利用三維模型尺寸測量可得1＝490 N、2＝145 N、3＝899.4 N、4＝297 N，代入式（1）得出1＝6192.5 N。

氣缸軸線與1之間夾角為16°，設氣缸受力大小為氣，則有：

由壓強公式推出氣缸缸徑為：

式中：為壓強，Pa。

考慮到手臂關節(jié)摩擦等因素影響，根據(jù)經(jīng)驗和理論計算將缸徑選擇為140 mm。

氣動助力機械臂氣缸行程的參數(shù)獲取用NX 10.0三維模型通過機械結構的運動仿真得出。如圖9所示，工件來料時放置在一個高1的料架上，助力機械臂末端夾具從料架上需要將工件搬運到2的高度，然后位移到設備上進行組裝。仿真方法是在NX 10軟件中用約束中心命令定義各關節(jié)的運動副關系，使得關節(jié)能夠相對轉(zhuǎn)動，再把相對位置不變的零件用膠合命令約束，使其成為一個運動的整體，移動末端執(zhí)行器，使夾具底部于地面垂直距離為1，標記1點的位置，然后重新移動末端執(zhí)行器，用同樣的方法使夾具離里面垂直距離為2，并標記2點位置，測量出1和2之間的直線距離，就是氣缸行程需要的大小。

3 氣路控制原理

氣動機械手是國內(nèi)外研究、設計、發(fā)展矚目的一項技術[6]，通過控制壓縮空氣驅(qū)動氣缸，平衡負載，達到機械臂省力的目的，利用操作盤上的按鈕對氣路進行控制完成機械臂執(zhí)行氣缸相關動作。圖10是建立的氣動助力機械臂系統(tǒng)氣路圖，機械臂的氣路回路由單向閥、儲氣罐、過濾器、電磁閥、調(diào)速閥、空氣誘導止回閥組成。首先，來自氣源的氣體先經(jīng)過一個單向閥和儲氣罐，此處的功能是為后面的氣路提供一個穩(wěn)定的氣壓，可以把氣源氣壓變化帶來對機械臂使用不安全影響降低。然后，通過過濾器將氣體凈化，并調(diào)整壓力分五路送入電磁閥中。驅(qū)動氣缸是由一個三位五通電磁閥和一個兩位三通電磁閥控制，氣缸的升降由三位五通電磁閥控制，機械臂需要在上下位置固定時，閉合兩位三通電磁通過空氣誘導止回閥鎖死氣缸。制動氣缸采用兩個兩位三通電磁閥控制，一個電磁閥控制氣缸升降，另一個電磁閥搭配空氣誘導止回閥用同樣的方式實現(xiàn)氣缸的鎖死。利用前面兩個控制回路中對氣缸鎖死的功能能夠保證斷氣斷電的情況下機械臂大臂的旋轉(zhuǎn)和連桿上下運動被固定，采用此氣路回路設計方法能夠保證機械手使用的安全。

圖10 系統(tǒng)氣路圖

4 關鍵結構有限元仿真分析

機械臂結構需要具有足夠的強度、剛度來抵御外載荷下的斷裂與變形，終端變形大小會影響終端定位精度[7]，因此分析氣動助力機械臂在固定載荷下結構響應是設計中重要的一步。本文中，助力機械臂的小臂是所有結構中強度與剛度最弱的地方，靜力學仿真是保證結構安全的第一道屏障[8]，所以有必要對小臂進行靜力學仿真分析。

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是目前機械設計中廣泛應用的先進設計方法之一，本文基于ANSYS Workbench對小臂進行有限元仿真。用NX 10設計的三維模型，將小臂導出XT格式文檔，添加到Workbench靜力學分析模塊。機械臂小臂材料采用45號鋼，材料密度7.8 g/cm3、楊氏彈性模量為210 GPa、泊松比0.3、屈服強度335 MPa，將材料屬性設置到分析的模型中。對小臂劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越小，計算精度越高，但是同時所需要計算時間也要更長，所以需要在計算精度和計算時間成本之間進行平衡[8-10]，本文中小臂機構簡單，因此采用六面體結構劃分網(wǎng)格，尺寸大小設置為20 mm。將載荷和夾具的重量添加到小臂上進行分析計算，得到仿真分析結果如圖11～圖13所示。從Workbench分析結果云圖可知：小臂總的應力變形為0.23 mm，最大變形來自方向，小臂方向尺寸為945 mm，因此0.23尺寸為合理范圍內(nèi)；最大應力10.16 MPa，45號鋼的屈服強度為335 MPa，最大應力小于材料的屈服強度。本節(jié)對機械手小臂靜力學仿真，仿真的結果顯示符合設計要求。

圖11 總變形云圖

圖12 應力云圖

圖13 X方向變形云圖

5 結論

針對電機轉(zhuǎn)子組裝上料，本文設計了一種氣動助力機械臂，用于輔助搬運作業(yè)，減輕人員勞動強度。

根據(jù)工藝要求設計機械結構，滿足功能要求，并通過工作的空間范圍確定結構尺寸。氣動助力機械臂利用錨栓緊固在混凝土地面，對基座進行理論力學分析計算，選出合適的錨栓型號。設計大關節(jié)轉(zhuǎn)動結構，同時按彎曲強度對轉(zhuǎn)動軸進行校對，結果表明軸的彎曲強度滿足使用要求。

分析機械臂機構原理，通過理論計算和NX 10三維運動仿真，得出氣缸的選型參數(shù)。

與此同時，對機械臂裝置設計了一種帶安全鎖氣路控制，利用儲氣罐處理，穩(wěn)定氣壓，氣路當中加入空氣誘導止回閥，可以保證在斷氣斷電過程中，氣動助力機械臂不會產(chǎn)生危險動作，能夠有效保證裝置使用的穩(wěn)定和安全。

在此基礎上，用ANSYS Workbench對關鍵結構小臂進行了靜力學仿真，結果表明，小臂在設計負載下，結構安全可靠，滿足強度、剛度要求。

[1]王小偉. 輪胎安裝氣動助力機械手的研發(fā)[D]. 重慶：重慶理工大學，2018.

[2]劉威，姚濤. 氣動平衡裝填機械手技術研究[J]. 機電工程技術，2014（7）：87-90.

[3]周詠淳. 助力機械手的系統(tǒng)結構及應用分析[J]. 路橋工程，2018（42）：18-42.

[4]陶子航. 輕型機械臂結構及控制系統(tǒng)的設計研究[D]. 合肥：中國科學技術大學，2017.

[5]濮良貴. 機械設計[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2012：78.

[6]楊孟濤，黎澤倫，楊永剛. 一種組合式氣動柔性機械手設計[J]. 液壓與氣動，2020（5）：52-55.

[7]曲典偉. 氣動平衡助力機械臂理論研究與仿真分析[D]. 濟南：山東大學，2018.

[8]江民圣. ANSYS Workbench 19.0基礎入門與工程實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2019.

[9]蔡自興，機器人學[M]. 3版. 北京：清華大學出版社，2015.

[10]程永奇，張貴成，孫友松，等基于UG的傳動機構有限元分析方法研究[J]. 機械，2010，37（11）：40-43.

Design of a Pneumatic Assist Manipulator

HOU Junkui，XIONG Ruiping，PENG Bo，TANG Xiaokang

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Aiming at the loading and assembly of motor rotor, a pneumatic power assisted manipulator was designed to assist transportation. The device is composed of mechanical structure, fixture, pneumatic control system, and control panel. The mechanical arm is driven by the cylinder to balance the weight, so as to save labor. This paper conducts the whole structure design of the pneumatic power assisted manipulator and carries out theoretical analysis and calculation. The anchor bolt and cylinder are selected according to the analysis conclusion and calculation results, and the bending strength of the rotating shaft of the joint is checked. A logic control method using gas storage tank and air induction check valve is put forward, which can ensure the safety and reliability in the case of gas cut-off, power-off and unstable air pressure. Finally, ANSYS Workbench is used to carry out static simulation analysis of the key structure, and the results show that the strength and stiffness of the structure meet the service requirements.

handling；pneumatic power；manipulator

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.006

1006－0316 (2021) 02－0042－07

2020－08－10

四川省重點研發(fā)項目：智能涂裝產(chǎn)線關鍵技術的開發(fā)與集成（2020YFG0119）；四川省智能制造與機器人重大專項課題：工業(yè)機器人成套裝備研制與應用（2019ZDX0019）

侯俊逵（1991－），男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向為結構設計與控制，E-mail：alliswell.h@foxmail.com。