冲压送料机械手机械结构的设计分析

文：刘刚（天津泰沃纳科技有限公司）

随着现代工业的不断发展，各个领域都在积极的研究和应用机器人系统。制造行业的机器人系统需要的是更强大程序编程环境和更大的柔性。冲压送料机械手是专门针对各式各样冲床装置，它代替了人力上下料，是一种自动化装备。冲压送料机械手能够水平旋转、垂直升降，并且可以根据送料高度、冲床高度进行调节。

1  机械手的组成、主要参数的确定和方案设计

1.1  机械手的组成

冲压送料机械手主要由控制系统、执行机构、驱动系统组成。控制系统是冲压送料机械手的指挥系统，它控制着驱动系统，使执行机构能够按照要求工作，并且监测执行机构运行是否正确，一般最为常见的是电子和电器回路控制，现在计算机控制系统也在不断的增多。执行机构包括手臂、手腕、手部以及立柱等。冲压送料机械手的驱动系统主要是驱动执行结构中的传动装置。通常所用的形式有气压传动、机械传动、电力传动和液压传动 ^[1]。

1.2  主要参数及方案设计

冲压送料机械手的主要参数包括抓取量、坐标形式及自由度、工作行程、运动速度、驱动方式、定位精度、控制方式。抓取量分为抓取重量和抓取长度分别为 10kg、250mm；坐标形式为柱坐标式，自由度为 4,；手臂伸缩行程为 500mm，机身旋转范围为 0-180^。，手臂回转范围为 -90^。〜 90^。，手部升降行程为 500mm；伸缩速度为 200mm/s，腕部回转速度为 45^。/s；驱动方式为液压方式；定位精度为 -0.5 〜 +0.5mm，控制方式为 PLC。根据参数的要求，本设计可以采用了机身机座式方案进行设计。

2  冲压送料机械手机械结构的设计

2.1  抓取结构的设计

手部设计要求。在对手部进行设计时，要有适当的夹紧力、有足够的开闭范围、结构要简单、体积小、重量轻、手指要有一定的刚度和强度。因此，在对冲压送料机械手进行设计过程中，根据部件的形状，采用经常使用的外卡两指钳爪，加紧的方式可以采用常闭式弹簧加紧，在松开时，采用单一作用的液压缸，这种结构比较简单，制造起来比较方便。第二，拉紧油缸的尺寸设计。液压缸的内径 D 的计算：

F=N×2Lcosθ/R

F _计算 =F

F 实际 =K1·K2·F 计算 /η

F _实际 =3.14（D²-d²）/4

D =

其中 F 为夹紧力，P 为手指对部件的夹紧力，R 为传动销与定位销的长度，L 为连杆长度，θ 为加紧力作用线与连杆中心线之间垂线的夹角。

K₁ 为安全系数，一般的取值范围在 1.2 〜 2.0，K₂ 为工作情况系数（惯性力的影响），一般的取值范围在 1.1 〜 2.5，η 手抓的机械传动效率，一般的取值范围为 0.85 〜 0.9。第三，运动范围。伸缩运动的范围 50500mm/s，上升运动的范围为 40-500mm/s，下降运动的范围为 80-800mm/ s，回转运动的范围为 30⁰-90⁰/s。第四，液压缸活塞驱动力的计算

F = F _惯 + F _摩

F _摩 = υmg

F _惯 =W △ v/g △ t

式中 F _摩为手臂运动是的摩擦阻力，F _惯为启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性力，υ 为摩擦系数，一般取值范围为 0.18 〜 0.3，m 为手臂的伸缩部件的总重量，W 为手臂伸缩部件的总重力，△ v 为油静止加速到匀速的变化量，△ t 启动过程的时间，一般取值范围为 0.01 〜 0.5s，对于轻载且低速运动的零件取比较小的值，对重载且高速运动的零件取比较大的值 [2]。

2.2  机身和机座的结构设计

电机的选择。设计冲压送料机械手机械结构选择带动机身回转的电机，该电机的初选转速为 W=60⁰/s，n=1/6 转 / 秒 =10 转 / 分。电机采用的是 B 级绝缘，外壳的防护等级是 IP44，它所采用的冷却方式为全封闭的自扇冷却。第二，减速器的选择。减速器选择圆柱蜗杆减速器，蜗杆的裁量是36siMnMo调质，涡轮的材料是ZQA18-3。第三，螺柱的设计与校核。螺柱设计有很多参数包括螺距螺纹工作高度 P、螺纹工作高度 h、螺纹牙底宽度 b、螺杆的强度 [σ]、螺纹牙剪切 [τ]、弯曲 [σb]。在螺柱的设计与校核中涉及到的公式有计算剪切强度、弯曲强度。

剪切强度：Z = H/P    τ=F/3.14d₁bz

剪切强度与 [τ] 进行对比，如果 τ<[τ] 合格。

弯曲强度 σ_b=3Fh/3.14d₁b²z

弯曲强度与 [σ] 相比，如果 σ_b<[σ] 合格。

2.3  冲压送料机械手的定位与平稳

第一，常用的定位方式。机械挡块的定位是在机械手运行终点设置一个机械挡块，当机械手减速运动到终点位置时，依靠机械挡块进行定位。如果在定位前机械手已经减速，定位是的驱动压力还没有撤除，这种情况下，机械挡块定位方式能够将重复精度提高；如果定位时将驱动油路关闭，然后去掉工作压力，这时机械手在碰撞机械挡块时会有一个微小的距离，使得定位的精度降低。第二，影响定位精度和平稳性的因素。影响定位精度和平稳性的因素包括精度、刚度、运动件的重量、驱动源、机械手运动的缓冲装置、控制系统。

3  结论

综上所述，冲压送料机械手速度快、结构比较简单、体积小、重量轻，提高了机械工作效率。经过上文分析可得，抓取结构的设计要从手部、油缸、运动范围等方面进行；机身和机座的结构设计要从电机的选择、减速器的选择、螺柱的设计与校核等方面着手。机械手的定位与平稳是机械正常运行的保障。因此，冲压送料机械手机械结构的设计要从多方面进行考虑，使其工作效率更高。