气动上下料机械手手部结构的设计与分析

气动上下料机械手手部结构的设计与分析StructureDesignAndAnalysisOfTheFingerOfPneumaticManipulator摘要：以炮弹径长自动检测生产线上搬运炮弹机械手的手部结构为研究对象，采用单片机对其气压驱动装置进行顺序控制，为保证结构设计的合理性，在论述系统组成、机械手运动、坐标形式及运动范围的基础上，运用有限元分析方法对手部结构进行分析和优化改进，结构设计满足验算结果要求。关键词：机械手；手部结构；结构设计；有限元分析在炮弹径长自动检测生产线上，要检测不同长度炮弹的外径值是否都在规定的尺寸公差内，如果在这个范围内，此炮弹合格；反之，炮弹就成为需要修复的产品或是废品。该工作过程受检测进程的限制，工人劳动强度大，且不易确保炮弹在检测平台上的位置。为了解决上述问题，本文设计一套采用单片机控制的带有摩擦轮压紧装置的气动上下料机械手。机械手手部结构的设计将影响炮弹的表面质量及其在检测平台上的位置，进而影响检测结果，因此运用有限元分析方法对所设计的结构进行应力分析、位移分析，并对结构进行优化设计。1系统组成整个系统分为控制系统、驱动系统和执行系统三大部分[1]，系统组成如图1所示。1.1控制系统控制系统包括主控制柜、控制面板（状态显示、按钮）和位置检测装置[2]。位置检测装置主要由行程开关组成，用来检测机械手的工作是否到位，并把相关信号传递给控制中心以便进行下一步的动作。在整个过程中，主要控制：（1）气动系统电磁阀的得电、失电；（2）步进电机、交流电机的启动、停止；（3）键盘显示、指示灯。1.2驱动系统整个系统需处于洁净的环境中，以确保检测的准确可靠，因此采用气压驱动[3]，即保证了环境的清洁，又满足了机械手运动快速性的要求。1.3执行系统执行系统分为上下料系统和检测系统两部分。上下料系统包括机械手手爪的夹紧与张开、摩擦轮和机械手手臂的上升与下降、机械手手臂的移动；检测系统包括炮弹旋转、测头移动和顶炮弹用活塞杆的伸出和收回。2机械手手部结构设计与分析2.1机械手概述1)、坐标形式。所设计的机械手具有两个自由度，摩擦轮具有一个自由度，故采用直角坐标形式。如图2所示，机械手的两个自由度分别是手臂的水平移动和手臂的伸缩运动，即沿x轴方向的移动和沿z轴的伸缩；摩擦轮的自由度即沿z轴的伸缩运动。2)、工作过程。对于上下料机械手来说，其工作是在最短的时间内抓取、抬升、移动、放炮弹至检测平台，经检测后，再迅速的抓取、抬升、移动、放炮弹至存放处，然后回到原位，重新执行下一次操作。3)、工作范围。机械手手臂在水平方向移动的总行程为600mm，在垂直方向的伸缩行程是125mm，由于在手臂伸出时，摩擦轮与工件的距离为35mm，所以，摩擦轮的伸缩行程为160mm。图2机械手的坐标形式2.2机械手手部结构设计机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表面设计成与圆台斜度相同的斜面，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表面质量。机械手手部的驱动装置采用齿轮齿条杠杆式结构，因为其结构简单，安装方便，齿轮、齿条相对容易加工，并且传动可靠，特别是采用无关节的手指形式，使抓取误差更小，定心精度更高。具体结构见图3示，其中，机械手外罩通过螺母紧固在气缸缸体上，活塞杆利用自身的螺纹与齿条联接，手爪通过螺钉与扇形齿轮联接，扇形齿轮通过圆柱销与外罩联接，即通过活塞杆的往复运动实现了手爪的张开与闭合。由于销与扇形齿轮的联接属于间隙配合，所以它们之间存在剪切危险，经过校核，其剪切应力满足要求。图3机械手手部结构图1-手爪2-手指3-齿条4-扇形齿轮5-销6-螺钉7-螺母8-外罩9-气缸2.3机械手手部结构分析为了加工方便、使手指的通用性更强，采用对称式钳爪手部结构，为保证抓取的可靠性和结构设计的合理性，采用ANSRS大型有限元分析软件，对机械手的变形和应力情况进行仿真分析。2.3.1有限元模型建立机械手有限元模型的关键在于受力结构的简化及等效边界条件的确定。由于机械手采用左右对称结构，所以，把有限元模型简化为只对一半手部结构进行分析。机械手有限元模型建立如图4所示（1)确定手指的支持力和齿轮啮合处的作用力：假设手指所受水平方向上的夹紧力为零，即炮弹的自重完全由手爪的下表面来克服，通过受力分析确定手指的支持力；由于齿轮齿条之间相互啮合，然存在相互作用，且活塞杆与齿条相联，所以，根据活塞杆的推力即可得出齿轮的受力情况。图4机械手有限元模型（2）确定等效边界条件：由于机械手的张开和闭合是通过扇形齿轮与齿条之间的啮合实现，其回转中心即为销轴处，所以，应在销轴的位置增加约束。2.3.2有限元分析机械手以钢为材料，其密度ρ＝7800㎏/㎝3，弹性模量E=202GPa；按分析的条件增加约束，对受力部位进行加载。有限元分析后，应力分析结果如图5示，由图5可得，在炮弹的自重和齿轮的作用力下，机械手手部的最大应力出现在齿轮与齿条相啮合部位的齿根部，其最大应力为0.475×107Pa，满足许用应力要求，最大应力出现位置的放大视图如图6示；有限元分析后，位移分析结果如图7示，由图7可得，在炮弹的自重作用下，机械手手部的最大位移出现在手爪的末端，即图7最左边，其大小为0.85×10-6m，满足许用位移要求。图5应力云图图6应力集中放大视图图7位移云图2.4机械手手部结构优化通过对机械手有限元分析结果的研究，虽然其产生的最大应力、最大位移均满足许用要求，但从结构优化的角度考虑应进行如下优化：（1）由于最大应力出现在齿轮的齿根处，所以，为了减小应力给齿轮寿命带来的影响，应采用热处理方法增强齿根强度。（2）由于最大变形出现在手爪受压的地方，长期使用定会加剧磨损，从而间接影响炮弹在检测平台上的位置。因此，对于下半部分手爪结构进行热处理，以增强其耐磨性和强度结束语通过采用机械手代替人进行重复的取放工作，不仅可减轻工人的劳动强度，也提高了生产自动化水平和劳动生产率；通过对机械手手部结构进行有限元分析，肯定了结构设计方针的正确性，为结构的优化改进提供了依据。由此可知，所设计的机械手手部结构不但满足在夹紧力为零情况下的夹紧要求，而且可以有效抑制因重复夹取工件而使手指产生的磨损。