機械臂壓力作業(yè)用榫卯結(jié)構(gòu)強化發(fā)展前景分析

陶春 孫乾政 西藏大學(xué)理學(xué)院

前言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，機械臂的應(yīng)用領(lǐng)域變得越加廣泛。機械臂是工程機械的重要部件，是一種多功能高效機械部件，也是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人之一，適合用于多種工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化作業(yè)。目前機械臂的關(guān)節(jié)大多使用氣壓液壓驅(qū)動方式，保證了機械臂的靈活性和工作效率。但由于驅(qū)動本身的限制，使得部分機械臂難以執(zhí)行過重的操作任務(wù)，限制了作業(yè)的任務(wù)范圍。因此，本文考慮一種機構(gòu)簡單實用的機械臂結(jié)構(gòu)使其擴大作業(yè)范圍，以其較低的制造成本和較高的經(jīng)濟效益，在流水線生產(chǎn)行業(yè)將具有良好的市場前景。

榫卯是指木質(zhì)纖維強度與摩擦力的結(jié)構(gòu)形式，各個構(gòu)件之間的結(jié)點以榫頭和卯尾相結(jié)合，構(gòu)成富有彈性的框架。雖然每個構(gòu)件都比較單薄，但是它整體上卻能承受巨大的壓力。這種結(jié)構(gòu)不在于個體的強大，而是相互結(jié)合，相互支撐。榫卯結(jié)構(gòu)特殊的構(gòu)件連接方式，不但可以使結(jié)構(gòu)框架承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在震動荷載下通過變形抵消一定的震動能量，減小結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)。

榫卯結(jié)構(gòu)強大的承受能力，對支撐的物體提供了有效的保護(hù)；又由于榫卯關(guān)節(jié)由各個構(gòu)件拼接而成，使得這種可以隨時拆合；加大了器械的適用范圍的同時，便于維修，使得整體上有更長久的使用壽命和低廉簡單的維修成本。

工業(yè)方面已經(jīng)對榫卯技術(shù)有了一定的引用，但由于榫卯工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)的物理模型制作困難，這使得研究榫卯結(jié)構(gòu)的過程較為困難。因此，本文提出將榫卯與常規(guī)機械臂相結(jié)合的想法。將榫卯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機械臂，或?qū)⒖蓛?yōu)化機械臂各個部件的受力方式。

1 原理基礎(chǔ)

1.1 機械臂運動機理

機械臂作為現(xiàn)代科技發(fā)展的科學(xué)產(chǎn)物，其運動機理十分復(fù)雜，它的運動系統(tǒng)主要由氣壓或液壓驅(qū)動器、自由關(guān)節(jié)、剛性連桿三部分組成。從仿真人體功能的角度出發(fā)，可以將驅(qū)動視為人體的肌肉群，自由關(guān)節(jié)視為肢體關(guān)節(jié)，連桿視為骨骼。它們在電腦數(shù)據(jù)的控制下，協(xié)同作用，完成各種工業(yè)操作。它的運動主要來自關(guān)節(jié)。多個自由關(guān)節(jié)組成了復(fù)雜的運動系統(tǒng)，這些關(guān)節(jié)一方面維護(hù)機械臂的穩(wěn)定性，另一方面驅(qū)動機械臂的運動。根據(jù)機械臂的運動形式、運動方向以及運動關(guān)節(jié)與機械臂其他部分的關(guān)系，使得機械臂完成一系列的空間操作。

1.2 榫卯支撐機理

“榫”即為凸出構(gòu)件，“卯”為凹部構(gòu)件。它的作用是為了連接和固定構(gòu)件。榫卯結(jié)構(gòu)的柔性銜接與現(xiàn)代的螺釘、粘合、焊接等技術(shù)不同，榫卯結(jié)構(gòu)使物體與物體之間達(dá)到了完美的支撐、擠壓、摩擦，其空隙性是不同于其他銜接技術(shù)最顯著的特點。完美的展現(xiàn)了一種拼接美和榫卯結(jié)構(gòu)的實用性。

榫卯連接是古建筑木結(jié)構(gòu)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間均采用榫卯進(jìn)行連接，其在結(jié)構(gòu)耗能減震方面有著極其重要的作用。榫卯連接可以通過榫頭和卯口之間的相互擠壓和摩擦滑移來抵抗外界荷載?，F(xiàn)今國內(nèi)存在大多古寺廟，歷經(jīng)百千年不倒的原因便是由于其中榫卯結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗震減壓性。如法國埃菲爾鐵塔經(jīng)常需要人力維護(hù)其中的螺栓螺母便是因為鋼材之間的相互擠壓使螺母松動，若是用純焊接建造更是會因為鋼材的漲縮使其斷裂，由此可見榫卯結(jié)構(gòu)在支撐、抗壓、抗震各方面的優(yōu)良性?，F(xiàn)今，傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)在鋼鋁混合車架以及多旋翼飛行器上都有著廣泛的應(yīng)用。

2 理論構(gòu)型

機械臂能夠靈活自如的完成各種復(fù)雜動作與其復(fù)雜的構(gòu)建結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。通過對普通機械臂關(guān)節(jié)的特性分析，發(fā)現(xiàn)氣壓液壓型驅(qū)動是使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的一個有效的結(jié)構(gòu)，卻因承壓荷載而使得關(guān)節(jié)無法承載過大的壓力。因此意圖通過使用榫卯結(jié)構(gòu)強化機械臂的功能性，使用簡單合理的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能是設(shè)計過程中需要考慮的重要因素。

為了使仿人機械臂最大限度簡化機構(gòu)、降低成本，使用齒輪卡槽加持在電動推桿末端。更改了電動推桿的傳統(tǒng)圓柱型連桿形狀，使連桿覆蓋上可與齒輪協(xié)同作用的卡槽。轉(zhuǎn)動卡槽使得連桿成為理論組合剛體，以此來支撐機械臂關(guān)節(jié)以及連桿，防止關(guān)節(jié)或連桿由于壓力過載而引起的相對滑動。

通過對普通機械臂的特性分析，機械臂各項運動中各個部件都少不了對重物的支撐和調(diào)節(jié)整體的穩(wěn)定，卻因自身驅(qū)動限制使得荷載上限較低。榫卯連接可以通過榫頭和卯口之間的相互擠壓和摩擦滑移來抵抗外界荷載，調(diào)節(jié)整體穩(wěn)定性，從而達(dá)到一個對機械臂優(yōu)化強化的目的。

3 可行性及難點分析

已知榫卯結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用到汽車內(nèi)部的連接于固定中，并取得了良好效果。由榫卯組成的支撐原件支撐效果好于焊接及螺栓固定，且便于拆和，為榫卯技術(shù)與工業(yè)相結(jié)合打下了良 好的開端。

就技術(shù)層面看，榫卯結(jié)構(gòu)節(jié)點的剛度低，框架抗側(cè)壓能力較弱，同時滯回曲線捏攏現(xiàn)象比較明顯，抗震吸能能力偏弱，在現(xiàn)今設(shè)計中一般僅作為鉸接點處理。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，減少勞動成本，機械自動化成為解決生產(chǎn)效率問題的主要方式，在加速生產(chǎn)流程方面，現(xiàn)生產(chǎn)線的使用離不開機械臂，而傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)則不能適應(yīng)機械精確度的高要求。榫卯的結(jié)構(gòu)強度對于現(xiàn)代工業(yè)而言，其優(yōu)點突出，缺點也很明顯，就其精確度而言，現(xiàn)代人有著更優(yōu)的選擇，所以它的運用需要對固有性能進(jìn)行開發(fā)和創(chuàng)新。

4 結(jié)論

(1）結(jié)合榫卯結(jié)構(gòu)后，原本機械臂的壓力荷載上限提高，功能范圍增加，減少了流水線人力成本該機構(gòu)具有較大的工作空間。

(2）榫卯技術(shù)已經(jīng)與現(xiàn)代工業(yè)有了一定的結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)的支撐優(yōu)勢適用于大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)物，榫卯技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)上的接軌不失為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一大方向。

(3）對于現(xiàn)代工業(yè)而言，傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)機械精確度的高要求，更多的是一種搭配上的選擇，而難以用作主體技術(shù)。但由于其突出的穩(wěn)定性能，發(fā)展前景可觀。