投本机械臂设计及关键部件浅析

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摘要:本文针对一般印刷厂生产工艺流程中要将书芯从自动线上转送到圆盘包本机的需要，设计一款自动机械臂来满足其自动投本的功能。本文从整体工艺需求出发，按自由度需求、驱动方式、空间限制、包本机对接规格等确定整体系统的运动路径及结构的设计和分析；利用软件对系统关键部位进行数字化建模和检验；依据分析结果进行设计优化，确保系统的安全可靠运行。

关键词:自动机械臂；设计；选型；分析

0引言

将流水线上末端送来的书芯等转移到圆盘包本机，这是目前一般印刷厂的工艺流程中存在的人工作业环节之一。向圆盘包本机投放书芯的高频作业易使工人产生疲劳并可能出现投本反向、错位等问题，造成生产成本的上升。频繁的重复操作正是自动机械臂应当出现的工位，现在应用三维建模以及软件仿真验证来实现机械臂的设计工作成为主流设计方法。

1应用环境及要求简述

通常情况下厂房干净平整，待装书芯经传送带放置于置物架上，工人将书芯投放到圆盘包本机夹口内完成包本工作。以中小型印刷厂普遍使用的包本机工作要求为例，机械臂的主要任务是将A4尺寸书芯（厚度约10~20mm）从置物架夹取并转移到期望位置。设书芯抓取架高度约900mm，置物架、包本机和人三者之间的布局如图1工作布局图所示。考虑设计对象具备足够的强度、刚度以免在反复运转过程中出现失载、共振现象；根据空间情况机械臂结构应紧凑，体积适当；对驱动源、传动结构的选取应进行计算校核。

2系统组成设计

2.1整体组成设计

机械臂系统应由控制部分、驱动部分、执行部分和检测部分组成。通常可用PLC、单片机等作为控制器，控制部分经编程运行给出驱动信号到驱动器。液压、气压和电机三种驱动方式中电机驱动的方式比较适合自动投本机械臂的工作要求。驱动部分带动机械结构完成夹取、转向、运送等执行动作，检测部分给出各步动作是否到位、是否可以开始工作等反馈信号给控制部分。在此设计中采用闭环方式，能够进行数据信息的反馈与调整。驱动部分应向执行部分各动作单元提供动力使其完成相应动作。按工作内容要求，执行部分应包括底座、臂部、腕部和末端夹持器。执行系统是能够将物品从初始位置放到期望位置的机械机构。检测部分主要是各类传感器，由内部和外部检测两部分组成，完成内外部环境信息的采集并将其反馈给控制部分供程序执行相应步骤。

2.2自由度、驱动方式、运动规划的分析

确定从动作流程并结合空间、成本、实用性等方面考虑，机械臂宜采用圆柱坐标式。依据书芯转移中需要完成载轴向旋转、再轴向伸缩、在轴向升降和腕部旋转动作，四自由度可满足工作要求。整个自动投本机械臂系统将由四个主要自由度和一个末端执行夹持器构成，每个部分的运动方式和尺寸如图2自动投本机械臂运动方案所示。图中A1指示底座旋转，最大旋转角度为90毅；B2指示Z轴升降，升降最大范围400mm；B3指示Y轴伸缩，夹持端与立柱中心伸缩最大范围为800mm；A4表示腕部翻转功能，确定夹持器部分的仰俯角度范围为90毅；C5指示夹持器部分，可依书芯厚度确定开闭宽度。机械臂工作任务可由底座旋转、圆柱升降、横臂伸缩、腕部旋转、夹持器夹持共同完成。设计满足够用的情况下应节约成本减小尺寸。机械臂的动作流程如图3动作流程图所示。

2.3自动投本机械臂的结构设计

底座传动的结构设计，采用电机、联轴器及齿轮组连接，齿轮组可小幅调节减速电机转速，以适当速度带动机械臂上部进行旋转动作，电机偏置式或侧置放置，倒立或水平布置在主轴一侧。从整体机械臂重心平衡角度出发，升降臂和电机在底座上采用偏置竖直倒置方式分布安装，还可降低底座部分的高度。臂部由于包括水平的伸缩和垂直的升降运动，且都为直线运动，故设计采用直线驱动结构。底座、臂部传动设计如图4、图5所示。机械臂的腕部应完成翻转的动作，故设计腕部传动电机安装在伸缩臂小臂端，通过联轴器带动腕部完成翻转动作。如图6所示。由夹持物体的尺寸设计夹持器结构，其手指应具有足够的张开和闭合范围，其开闭范围与书芯的大小、厚度尺寸有关。夹持器与书本的接触部分应作软接触保护，可使用橡胶保护套，设计以四手指上下对称分布，夹持器设计结构示意图如图7所示。小夹板动作驱动使用防尘宽阔气动气缸完成。

3关键零部件的分析

3.1滚珠丝杠的分析

本设计选用BSS1510L滚珠丝杠确保机械臂的升降运动定位准确度满足工作需求，其精密等级为C5级。前面依工作情况已设定运动行程为400mm，在此设定升降运动过程总时长2s。运动过程为竖直直线运动，速度变化过程为：加速寅匀速寅减速，设定加减速时间均为0.1s。由此可得相应的参数计算式如下：（滚珠丝杠的行程）（升降过程中加速度）（升降过程中加速行程）（升降过程中减速行程）（升降过程总行程，S3为匀速行程）解得：本设计中使用额定转速为3000r/min的松下伺服电机作为驱动电机，滚珠丝杠导程计算：Ph叟VMAX伊60伊1000V额，可选择导程为5mm，再由机械臂的实际参数可确定轴径为15mm。按实际运行中考虑重力影响，上升段需要的扭矩要大于减速段、匀速段及下降段，因此升降臂的轴向载荷最大值应满足加速上升段即可。将载荷计算公式：Fa=C0/f（C0基本额定载荷，f安全系数）中C0取值定为125000N，f取值为2，则平均轴向载荷为：因直线往复运动易形成磨损，其额定疲劳寿命计算可由下式确定：（额定动载荷Ca=9500N，负载系数f棕=1.2）；距离寿命计算：LS=L伊Ph衣106。依据计算结果可查阅相关参数，选择合适型号的滚珠丝杠。

3.2驱动电机的分析

依据设计方案选择松下伺服电机，其型号参数的确定需由机械臂负荷及工况来计算电机转矩。各轴转矩为轴向、摩擦、预紧三项。计算公式如下：TO=Fm伊Ph2仔浊（轴向转矩）、Tf=滋伊d伊Fa2（摩擦转矩）、Td=K伊Ph伊F预2仔浊（摩擦转矩）参数传递效率浊取0.9，摩擦系数滋取0.02，预紧系数K取0.2。各轴转矩之和需小于电机额定值，即TO+Tf+Td燮Ts；加速转矩Tp=2仔nmax60t·J约Tmax（最大转矩），系统总惯量J=JL+JM，负载与电机转动惯量之和。（式中nmax=3000r/min，t=0.1s）依据计算可得出所需电机转矩参数，从而进行电机选型。

4设计方案三维建模及虚拟装配

可将上述设计方案通过三维建模软件进行各部位零件的建模并进行整机的虚拟装配，例如使用SolidWorks软件完成实体建模，特点是直观且真实，对模型的质量、尺寸、坐标位置等可直接反映出来，通过修改参变量方式可方便地进行分析和改进。在本设计中使用该软件进行建模时将依据所选择的传动结构、零部件完成各个部分的建模，之后进行各部位零件的配合，最终进行虚拟装配完成整机的模型建立。在整机配合中应当遵循自下而上的设计顺序，先将单个零件组成子体，完成如底座、夹持器等各部分，从固定底座开始依次向上进行虚拟装配，并通过如配合等操作命令进行约束配合，最终可使装配好的虚拟样机各部位定位精准。此外，使用该软件还可对机械臂的干涉现象进行检查，可快速找到干涉对象方便修改，缩短设计周期。

5小结

本文设计了一种自动机械臂来对一般中小型印刷厂使用的包本机投送书芯的人工作业进行替代，在设计方案及关键部件进行了分析和计算，为相关设计工作提供了一种参考方案。

参考文献:

[1]石瑞芳，李金龙.自动机械臂的发展探索[J].数字农业与智能农机，2021，2：108-109.

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作者:石瑞芳 李金龙 单位:甘肃机电职业技术学院