多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元研究

蔡曉宇 韓博學(xué)

摘要：機(jī)械手是一種模仿人類手臂，并通過編程，來完成搬運(yùn)、抓取、操作等預(yù)期作業(yè)的自動化裝置。而多工序機(jī)械手有著占用空間小、功能多樣化等特點(diǎn)，能更好地進(jìn)行生產(chǎn)操作。本文根據(jù)多工序機(jī)械手的主要功能，進(jìn)行了多工序機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行有限元研究，為制造企業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：多工序機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元

引言：隨著近幾年社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)裝置也在變得智能化和機(jī)械化，多工序機(jī)械手在制造和生產(chǎn)中的應(yīng)用也變得越來越廣泛。因此，對于多工序機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該不斷進(jìn)行探索和創(chuàng)新，并對其進(jìn)行有限元的研究，進(jìn)而提高制造和生產(chǎn)的效率，推動我國制造業(yè)的穩(wěn)定成長。

一、多工序機(jī)械手主要功能

目前，我國大多數(shù)企業(yè)在制造和生產(chǎn)中所使用到的智能機(jī)械設(shè)備種類繁多，但是，這些智能機(jī)械設(shè)備所包含的功能卻很單一，很少有一臺智能機(jī)械設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)完成制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的多道工序。而多工序機(jī)械手，是在同一臺智能機(jī)械設(shè)備上，可以利用多種工序，來進(jìn)行制造生產(chǎn)所預(yù)留的作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一臺智能機(jī)械設(shè)備可以完成多臺智能機(jī)械設(shè)備的工作。這樣一來，不光減少了制造企業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備的占地面積，有效地利用了生產(chǎn)線所占用的空間;還能提高生產(chǎn)工作效率，使制造企業(yè)的制造生產(chǎn)工作向智能化、自動化的方向發(fā)展。因此，對于多工序機(jī)械手的設(shè)計，要盡可能的實(shí)現(xiàn)對于其內(nèi)部配件，可以靈活地安裝和拆卸;同時還可以在多工序機(jī)械手中增加換刀系統(tǒng)，并增加推進(jìn)系統(tǒng)來對換刀系統(tǒng)進(jìn)行輔助工作，使多工序機(jī)械手可以自動更換刀具以及裝配或拆卸配件，讓多工序機(jī)械手功能更加完善。這樣一來，多工序機(jī)械手在進(jìn)行操作時，可以加快制造生產(chǎn)的速度，進(jìn)而更好地提高制造企業(yè)生產(chǎn)效率。

二、多工序機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）工作空間

工作空間是衡量多工序機(jī)械手工作技術(shù)和性能的一項重要指標(biāo)。首先，對于多工序機(jī)械手，雖然要增加其工作的范圍，但多工序機(jī)械手的前端如果過于長或者過于重的話，會大大降低多工序機(jī)械手的穩(wěn)定性;其次，要嚴(yán)格遵循制造生產(chǎn)空間的最優(yōu)原則，也就是說，在可以保證多工序機(jī)械手完成預(yù)留作業(yè)的前提下，盡可能地縮小其在生產(chǎn)線中所占用的空間。另外，為了可以更好地完善多工序機(jī)械手的換刀系統(tǒng)，除了要考慮工作空間的大小、形狀之外，還應(yīng)該重點(diǎn)考慮多工序機(jī)械手的內(nèi)部傳動系統(tǒng)中的傳動效率，來對多工序機(jī)械手進(jìn)行更加科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。

（二）整體結(jié)構(gòu)

對于多工序機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，一定要保證科學(xué)、合理。在對多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，對于多工序機(jī)械手各個機(jī)械臂的長度、寬度、內(nèi)部工件的選型以及傳動內(nèi)部裝置的選擇等因素，都需要進(jìn)行詳盡、充分地思考和決定。因此，在傳統(tǒng)機(jī)械手的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行多工序機(jī)械手的改良和設(shè)計，應(yīng)該盡可能地將多工序機(jī)械手的關(guān)節(jié)、接口、傳統(tǒng)內(nèi)部裝置等部分進(jìn)行簡化改造，這樣一來，可以更好地提高多工序機(jī)械手的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。

（三）換刀系統(tǒng)

相比較與傳統(tǒng)的機(jī)械手，多工序機(jī)械手在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在機(jī)械臂前端內(nèi)增加了一個換刀系統(tǒng)。首先，在機(jī)械臂前端添加一個雙孔的換刀架，并在刀架上放置可供換置的刀具，該裝置是將換置刀具進(jìn)行左右平移，進(jìn)而改變刀具的位置，以此來運(yùn)轉(zhuǎn)多工序機(jī)械手的換刀系統(tǒng)。

在機(jī)械手前臂和換刀架的前端之間，可以增加一個推桿，當(dāng)進(jìn)行換刀工作的時候，由推桿將換刀架上的換置刀具推到多工序機(jī)械手的操作位置，并且進(jìn)行自動化的安裝;接著，推桿返回到原位，以便更快速的進(jìn)行下一次的換刀工作。在多工序機(jī)械手處于工作狀態(tài)時，可以增加一個固定裝置，來使換置刀具在多工序機(jī)械手前端自動安裝時，可以更加穩(wěn)固。除此之外，換置刀具在裝配時，還要在多工序機(jī)械手操作位置的前半部分安裝一個裝卡卡盤，主要目的是為了固定換置刀具，以防止工作時，刀具的快速運(yùn)轉(zhuǎn)由于沒有固定力而造成的刀具不穩(wěn)定或脫落。

（四）傳動系統(tǒng)

若想完善多工序機(jī)械手的傳動系統(tǒng)，需要配合相應(yīng)的傳動方式，例如：氣壓傳動、機(jī)械傳動、電氣傳動等方式。將多工序機(jī)械手極其底座的活動范圍進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂肘關(guān)節(jié)進(jìn)行上下15度的轉(zhuǎn)動，機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)進(jìn)行180度轉(zhuǎn)動，機(jī)械臂手部進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。多工序機(jī)械手以氣動方式作為主要驅(qū)動方式，同時附加電機(jī)驅(qū)動、機(jī)械驅(qū)動、伺服電機(jī)驅(qū)動等驅(qū)動方式。多工序機(jī)械手傳動系統(tǒng)可以簡單概括為：首先舵機(jī)帶動聯(lián)軸器，再通過聯(lián)軸器帶動底盤，進(jìn)而形成底座的傳動，從而實(shí)現(xiàn)多工序機(jī)械手底盤向水平方向進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)。除此之外，對于多工序機(jī)械手的加工角度，可以讓電機(jī)帶動多工序機(jī)械手腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)180度，而刀頭則向垂直方向進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，從而滿足各個加工位置的要求。

（五）前爪、刀具、自由度

首先，為了使多工序機(jī)械手功能更加完善，要確定換刀系統(tǒng)中所裝配的換置刀具，例如：對于螺絲刀的制造生產(chǎn)，可以分為十字或一字的螺絲刀，因此對于多工序機(jī)械手中配置的刀具在形狀上有一定的要求。多工序機(jī)械手中配置的刀具不光要和裝卡卡盤進(jìn)行吻合，還要保證刀具末端要與機(jī)械手能夠相互配合、夾緊，以保證加工時刀具的穩(wěn)定性。其次，可以以多工序機(jī)械手的關(guān)節(jié)坐標(biāo)型為主，按照多工序機(jī)械手的臂部關(guān)節(jié)沿坐標(biāo)軸的運(yùn)動形式來進(jìn)行設(shè)計和改良。這樣一來，多工序機(jī)械手對于人手的工作特點(diǎn)的模擬就可以更加真實(shí)了。從而實(shí)現(xiàn)多工序機(jī)械手能夠做到整體繞Z軸旋轉(zhuǎn)，保證其雖然結(jié)構(gòu)有一些復(fù)雜、定位精度較低，但是工作范圍大，占地面積小并且能滿足制造企業(yè)的生產(chǎn)要求。

三、多工序機(jī)械手的有限元研究

（一）單元分析

對于多工序機(jī)械手的有限元分析主要是對其進(jìn)行受力上的分析，尤其是對于多工序機(jī)械手的前臂外部固定部分進(jìn)行分析，因為多工序機(jī)械手前臂不光具有垂直方向的旋轉(zhuǎn)功能，還要可以固定前面的機(jī)械手部分。因此，如果多工序機(jī)械手前臂部分的承重能力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的話，就會影響多工序機(jī)械手的加工精準(zhǔn)度，同時影響整個生產(chǎn)線穩(wěn)定性。對于多工序機(jī)械手的單元分析，主要是分析單元的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間相互關(guān)系，要求對基本單元進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，例如：內(nèi)部的位移的計算，以及應(yīng)變、應(yīng)力等關(guān)系式的列舉和計算[2]。

（二）整體分析

對于多工序機(jī)械手的整體分析可以簡單的概括為：是對其模型的各個組成部分進(jìn)行分析，并建立相應(yīng)的約束節(jié)點(diǎn)和載荷節(jié)點(diǎn)，從而計算出節(jié)點(diǎn)的位移程度。例如：可以通過改變多工序機(jī)械手的制作材料，來改變其重量，進(jìn)而改變其承重能力，在這個基礎(chǔ)上來測試出多工序機(jī)械手的受力能力和加工的精準(zhǔn)程度。基于此，可以發(fā)現(xiàn)，多工序機(jī)械臂在改變質(zhì)量后，其節(jié)點(diǎn)位移量也會隨之改變，所以，為了保證多工序機(jī)械手在進(jìn)行制造生產(chǎn)時是加工精準(zhǔn)度，可以在多工序機(jī)械手的兩側(cè)，分別各增加一個液壓桿來作為多工序機(jī)械手的支撐，這樣一來，多工序機(jī)械手的加工精準(zhǔn)度就可以得到一個有效且穩(wěn)定的保證了。

四、結(jié)論

綜上所述，隨著時代的快速發(fā)展，制造行業(yè)也應(yīng)該緊跟發(fā)展的腳步，將自身生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)化、智能化的改良，以便于制造企業(yè)在市場的大環(huán)境中謀求生存和發(fā)展。對于多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和改良是提高制造企業(yè)生產(chǎn)效率和自身競爭實(shí)力的重要途徑，同時也是推動我國制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 徐杭，田久樂，林煒軒.多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析[J].自動化與儀器儀表，2017（12）：80-82+85.

[2]?? 芮義皓.減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及成型研究[J].價值工程，2020，39（03）：191-192.

作者簡介：

蔡曉宇（1989-）;性別：男，民族：滿，籍貫：遼寧省丹東市，學(xué)歷：本科;研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。