投本機械臂設計及關鍵部件淺析

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摘要:本文針對一般印刷廠生產工藝流程中要將書芯從自動線上轉送到圓盤包本機的需要，設計一款自動機械臂來滿足其自動投本的功能。本文從整體工藝需求出發(fā)，按自由度需求、驅動方式、空間限制、包本機對接規(guī)格等確定整體系統(tǒng)的運動路徑及結構的設計和分析；利用軟件對系統(tǒng)關鍵部位進行數字化建模和檢驗；依據分析結果進行設計優(yōu)化，確保系統(tǒng)的安全可靠運行。

關鍵詞:自動機械臂；設計；選型；分析

0引言

將流水線上末端送來的書芯等轉移到圓盤包本機，這是目前一般印刷廠的工藝流程中存在的人工作業(yè)環(huán)節(jié)之一。向圓盤包本機投放書芯的高頻作業(yè)易使工人產生疲勞并可能出現投本反向、錯位等問題，造成生產成本的上升。頻繁的重復操作正是自動機械臂應當出現的工位，現在應用三維建模以及軟件仿真驗證來實現機械臂的設計工作成為主流設計方法。

1應用環(huán)境及要求簡述

通常情況下廠房干凈平整，待裝書芯經傳送帶放置于置物架上，工人將書芯投放到圓盤包本機夾口內完成包本工作。以中小型印刷廠普遍使用的包本機工作要求為例，機械臂的主要任務是將A4尺寸書芯（厚度約10~20mm）從置物架夾取并轉移到期望位置。設書芯抓取架高度約900mm，置物架、包本機和人三者之間的布局如圖1工作布局圖所示。考慮設計對象具備足夠的強度、剛度以免在反復運轉過程中出現失載、共振現象；根據空間情況機械臂結構應緊湊，體積適當；對驅動源、傳動結構的選取應進行計算校核。

2系統(tǒng)組成設計

2.1整體組成設計

機械臂系統(tǒng)應由控制部分、驅動部分、執(zhí)行部分和檢測部分組成。通?？捎肞LC、單片機等作為控制器，控制部分經編程運行給出驅動信號到驅動器。液壓、氣壓和電機三種驅動方式中電機驅動的方式比較適合自動投本機械臂的工作要求。驅動部分帶動機械結構完成夾取、轉向、運送等執(zhí)行動作，檢測部分給出各步動作是否到位、是否可以開始工作等反饋信號給控制部分。在此設計中采用閉環(huán)方式，能夠進行數據信息的反饋與調整。驅動部分應向執(zhí)行部分各動作單元提供動力使其完成相應動作。按工作內容要求，執(zhí)行部分應包括底座、臂部、腕部和末端夾持器。執(zhí)行系統(tǒng)是能夠將物品從初始位置放到期望位置的機械機構。檢測部分主要是各類傳感器，由內部和外部檢測兩部分組成，完成內外部環(huán)境信息的采集并將其反饋給控制部分供程序執(zhí)行相應步驟。

2.2自由度、驅動方式、運動規(guī)劃的分析

確定從動作流程并結合空間、成本、實用性等方面考慮，機械臂宜采用圓柱坐標式。依據書芯轉移中需要完成載軸向旋轉、再軸向伸縮、在軸向升降和腕部旋轉動作，四自由度可滿足工作要求。整個自動投本機械臂系統(tǒng)將由四個主要自由度和一個末端執(zhí)行夾持器構成，每個部分的運動方式和尺寸如圖2自動投本機械臂運動方案所示。圖中A1指示底座旋轉，最大旋轉角度為90毅；B2指示Z軸升降，升降最大范圍400mm；B3指示Y軸伸縮，夾持端與立柱中心伸縮最大范圍為800mm；A4表示腕部翻轉功能，確定夾持器部分的仰俯角度范圍為90毅；C5指示夾持器部分，可依書芯厚度確定開閉寬度。機械臂工作任務可由底座旋轉、圓柱升降、橫臂伸縮、腕部旋轉、夾持器夾持共同完成。設計滿足夠用的情況下應節(jié)約成本減小尺寸。機械臂的動作流程如圖3動作流程圖所示。

2.3自動投本機械臂的結構設計

底座傳動的結構設計，采用電機、聯軸器及齒輪組連接，齒輪組可小幅調節(jié)減速電機轉速，以適當速度帶動機械臂上部進行旋轉動作，電機偏置式或側置放置，倒立或水平布置在主軸一側。從整體機械臂重心平衡角度出發(fā)，升降臂和電機在底座上采用偏置豎直倒置方式分布安裝，還可降低底座部分的高度。臂部由于包括水平的伸縮和垂直的升降運動，且都為直線運動，故設計采用直線驅動結構。底座、臂部傳動設計如圖4、圖5所示。機械臂的腕部應完成翻轉的動作，故設計腕部傳動電機安裝在伸縮臂小臂端，通過聯軸器帶動腕部完成翻轉動作。如圖6所示。由夾持物體的尺寸設計夾持器結構，其手指應具有足夠的張開和閉合范圍，其開閉范圍與書芯的大小、厚度尺寸有關。夾持器與書本的接觸部分應作軟接觸保護，可使用橡膠保護套，設計以四手指上下對稱分布，夾持器設計結構示意圖如圖7所示。小夾板動作驅動使用防塵寬闊氣動氣缸完成。

3關鍵零部件的分析

3.1滾珠絲杠的分析

本設計選用BSS1510L滾珠絲杠確保機械臂的升降運動定位準確度滿足工作需求，其精密等級為C5級。前面依工作情況已設定運動行程為400mm，在此設定升降運動過程總時長2s。運動過程為豎直直線運動，速度變化過程為：加速寅勻速寅減速，設定加減速時間均為0.1s。由此可得相應的參數計算式如下：（滾珠絲杠的行程）（升降過程中加速度）（升降過程中加速行程）（升降過程中減速行程）（升降過程總行程，S3為勻速行程）解得：本設計中使用額定轉速為3000r/min的松下伺服電機作為驅動電機，滾珠絲杠導程計算：Ph叟VMAX伊60伊1000V額，可選擇導程為5mm，再由機械臂的實際參數可確定軸徑為15mm。按實際運行中考慮重力影響，上升段需要的扭矩要大于減速段、勻速段及下降段，因此升降臂的軸向載荷最大值應滿足加速上升段即可。將載荷計算公式：Fa=C0/f（C0基本額定載荷，f安全系數）中C0取值定為125000N，f取值為2，則平均軸向載荷為：因直線往復運動易形成磨損，其額定疲勞壽命計算可由下式確定：（額定動載荷Ca=9500N，負載系數f棕=1.2）；距離壽命計算：LS=L伊Ph衣106。依據計算結果可查閱相關參數，選擇合適型號的滾珠絲杠。

3.2驅動電機的分析

依據設計方案選擇松下伺服電機，其型號參數的確定需由機械臂負荷及工況來計算電機轉矩。各軸轉矩為軸向、摩擦、預緊三項。計算公式如下：TO=Fm伊Ph2仔濁（軸向轉矩）、Tf=滋伊d伊Fa2（摩擦轉矩）、Td=K伊Ph伊F預2仔濁（摩擦轉矩）參數傳遞效率濁取0.9，摩擦系數滋取0.02，預緊系數K取0.2。各軸轉矩之和需小于電機額定值，即TO+Tf+Td燮Ts；加速轉矩Tp=2仔nmax60t·J約Tmax（最大轉矩），系統(tǒng)總慣量J=JL+JM，負載與電機轉動慣量之和。（式中nmax=3000r/min，t=0.1s）依據計算可得出所需電機轉矩參數，從而進行電機選型。

4設計方案三維建模及虛擬裝配

可將上述設計方案通過三維建模軟件進行各部位零件的建模并進行整機的虛擬裝配，例如使用SolidWorks軟件完成實體建模，特點是直觀且真實，對模型的質量、尺寸、坐標位置等可直接反映出來，通過修改參變量方式可方便地進行分析和改進。在本設計中使用該軟件進行建模時將依據所選擇的傳動結構、零部件完成各個部分的建模，之后進行各部位零件的配合，最終進行虛擬裝配完成整機的模型建立。在整機配合中應當遵循自下而上的設計順序，先將單個零件組成子體，完成如底座、夾持器等各部分，從固定底座開始依次向上進行虛擬裝配，并通過如配合等操作命令進行約束配合，最終可使裝配好的虛擬樣機各部位定位精準。此外，使用該軟件還可對機械臂的干涉現象進行檢查，可快速找到干涉對象方便修改，縮短設計周期。

5小結

本文設計了一種自動機械臂來對一般中小型印刷廠使用的包本機投送書芯的人工作業(yè)進行替代，在設計方案及關鍵部件進行了分析和計算，為相關設計工作提供了一種參考方案。

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作者:石瑞芳 李金龍 單位:甘肅機電職業(yè)技術學院