陳凱，劉巍巍

（沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

隨著社會的進步，越來越多的生產企業(yè)采用機器人或者機械手來代替人工進行作業(yè)。機械手大部分情況都是出現(xiàn)在生產線中，用來代替人工完成待加工零件或者物料的空間轉移。由于其效率高、安全性高、生產質量好等優(yōu)點受到企業(yè)青睞。本文設計了一款三自由度桁架式機械手，其可以完成加工設備所需的上下料作業(yè)，可以承載較重的物料，并且其安全性可以得到保證[1-4]。

1 桁架機械手的主要結構

本文設計的機械手主要結構包括立柱、X軸、Z軸、末端執(zhí)行器等，如圖1所示。機械手的立柱主要起到支撐和固定的作用，在地面固定時使用地腳板組合增加抓地力，在頂端、側面連接位置添加加強筋防止立柱的變形。選用1060鋁合金作為主要的材料，立柱截面尺寸為250 mm×250 mm，厚度為10 mm，高度為3250 mm。在機械手的頂部有過渡件實現(xiàn)立柱與X軸的連接。

圖1 三自由度桁架式機械手

X軸主要起到支撐機械手末端執(zhí)行器和Z軸左右運動的作用。由于X軸水平方向上整體跨距較大，負載的重力大，因此選用截面為180 mm×240 mm、厚度為10 mm的1060鋁合金，X軸側面安裝有兩條起導向和支撐作用的導軌和傳動齒條，并且在鏈條的末端安裝防撞塊，在X軸的頂面安裝感應開關。在X軸的后側面通過過渡裝置，連接走線槽，走線槽內主要放置的是電動機線和信號線。為了提高X軸的承載能力，X軸的內部安裝加強筋。

機械手在X軸上通過傳送機構進行反復的直線運動，在X軸的水平傳送機構中其有齒條、齒輪、導軌、滾輪、過渡鏈接板等組成，其中齒條是通過內六角螺栓拔合到桁架的T形鍵槽上，利用電動機作為驅動的動力源，通過減速器減速增扭，驅動齒輪轉動，從而帶動Z軸實現(xiàn)整個手臂和抓取的物料沿水平方向進行直線運動。圓柱滾輪與過渡連接掛板之間通過內六角螺栓連接，滾柱和導軌除具有導向作用外還承受整個Z軸和工件的重力，電動機提供驅動力克服導軌和滑塊之間由重力產生的摩擦力。

Z軸的主要作用是完成機械手的上升和下降運動。用電動機作為驅動，通過減速器減速增扭，驅動齒輪轉動帶動Z軸手臂實現(xiàn)豎直方向的上下運動。材料選用1060鋁合金，橫截面規(guī)格為100 mm×150 mm，厚度為5 mm，高度為2900 mm。Z軸上安裝光電開關、導軌、齒條、防撞塊、線槽、固定板、掛板。

機械手的末端執(zhí)行器如圖2所示，整個機械手末端執(zhí)行器通過過渡件完成與Z軸的連接，并且末端執(zhí)行器可以實現(xiàn)繞Z軸轉動。末端執(zhí)行器通過電動機作為驅動，經過減速器傳遞轉矩，通過滾珠絲杠將圓周運動轉換成直線運動，以完成其對物料的抓放。

圖2 末端執(zhí)行器

2 桁架機械手支撐件的動靜特性分析

2.1 靜態(tài)分析

桁架機械手的立柱及Z軸是整個結構的主要承重件，其承載能力是整個機械手能否正常工作的基礎。因此，分析機械手在工作的過程中承重件的應力及位移是十分必要的。根據力學基礎可知當機械手的X軸及末端執(zhí)行器位于Z軸的正中位置進行運動的時候，Z軸的承受最大力。由于該機械手由4根立柱支撐，跨度越大，Z軸的變形越大，為確保機械手的承載能力，因此選用跨度最大的2根立柱之間的架體進行分析。

將SolidWorks創(chuàng)建的機械手模型，導入到ANSYS Workbench中。為降低仿真計算的復雜性，將模型中的倒角、螺紋孔等特征刪除。簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型圖

機械手的Z軸主要經過焊接而成，其材料選用1060鋁合金，其密度為2700 kg/m3，屈服強度為90 MPa（0℃），簡化模型劃分的網格，選用六面體網格，立柱采用固定約束。

位移云圖如圖4所示，根據位移云圖分析結果可知X軸在整個機械手工作的過程中中心位置變形量最大，最大變形為0.234 13 mm。兩根立柱之間的距離是3100 mm，變形量相比兩根立柱之間跨度較小，不會對機械手的運轉產生影響。

圖4 位移云圖

應力云圖如圖5所示，由應力云圖分析結果可知在機械手工作的過程中，X軸最大承受17.489 MPa的力，最大承受力遠低于材料的屈服極限，所以該設計滿足強度需求。安全系數如圖6 所示，X軸的變形屬于彈 性 變形，最小安全系數大于1，因此機械手在該工況下滿足使用需求。

圖5 應力云圖

圖6 安全系數

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種反映機械系統(tǒng)性能的指標，主要用來確定整個機械系統(tǒng)的固有頻率和相應的振型，也可以用來確定機械系統(tǒng)的損傷。由于機械手工作的驅動力頻率不高，只需要考慮前幾階模態(tài)是否有發(fā)生共振的情況，所以只取前六階模態(tài)進行分析，驗證機械手結構的合理性。

根據圖8所示，機械手一階到六階的振動頻率主要分布在11～37 Hz范圍內。振動幅度最大為1.4 mm，最小約為0.6 mm，其第一階的模態(tài)振型表現(xiàn)為X軸向下傾斜，其第二階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第一根立柱向右傾斜和第三根立柱向左傾斜，其第三階的模態(tài)振型表現(xiàn)為整體向左傾斜，其第四階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第二根立柱向左傾斜X軸向下傾斜，其第五階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第四根立柱向右傾斜，其第六階的模態(tài)振型表現(xiàn)為X軸向下傾斜。根據分析結果可以適當提高變形較大零部件的材料規(guī)格。

圖7 前六階模態(tài)值

圖8 機械手前六階振型云圖

3 結論

桁架式機械手在工廠應用較廣，其可以使勞動量較大上下料工作變得簡單迅速。本文主要介紹了桁架機械手的主要結構，另外對機械手的主要支撐件進行了動、靜態(tài)分析，驗證了設計的合理性和安全性。