一种面向低成本需求的新型搬运机械手.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()一种面向低成本需求的新型搬运机械手李军,张波,韩永亮(宁夏宁鲁煤电有限责任公司 任家庄煤矿,宁夏银川 )摘要:为实现物体搬运功能,且满足低成本制造需求,设计了一种新型搬运机械手.对搬运机械手的结构组成、工作流程和执行机构检测方案进行了详细阐述,在此基础上,对搬运机械手的夹持手爪结构进行了设计.应用结果表明:该新型搬运机械手具有成本低、搬运效果好等优点,具有较高的实际应用价值.关键词:搬运机械手;夹持机构;低成本中图分类号:T P 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:李军(),男,宁夏中卫人,工程师,硕士,从事煤矿机电信息化管理工作.引言随着技术进步和管理提升,越来越多的行业引入自动化生产线,尤其是物流、汽车、航空等领域通过自动化生产线实现提质增效,而机械手是自动化生产线的重要组成部分,主要负责将相关物体从一个区域搬运至另一个指定区域,.经济性是制约自动化生产线广泛应用的关键因素之一,一般情况下,机械手是自动化生产线中成本较高的组成部分,因此,需要设计一种既能实现搬运功能,又具有低成本优点的新型搬运机械手.文献 通过设计复杂的控制系统或引入高成本的磁性机构实现了精准搬运;文献 通过设计专用传动机构和对现有控制系统进行定制化改造实现了快速搬运,虽然取得了一定效果,但仅适用于特定搬运对象,推广性不强,经济性不佳;文献 通过运用人工智能算法和专用控制器实现了智能搬运,但制造成本高.上述研究重点集中在高精度、高效率和智能化,而以低成本作为设计需求的方案较少.本文以煤矿管件为搬运对象,设计了一种低成本且满足搬运功能的新型搬运机械手.新型搬运机械手的结构设计及工作流程 新型搬运机械手的结构设计新型搬运机械手主要由底座、内螺纹齿轮、丝杠臂、转动从动齿轮、减速器高速轴、减速器低速齿轮、齿条臂、手臂俯仰电机、机械手前臂、手爪电机、丝杠牵杆、手爪、转动电机、锥齿轮、转动主动齿轮、升降主动齿轮和升降电机等组成,其结构示意图如图所示.搬运机械手通过圆柱直齿轮传动、螺旋传动、锥齿轮传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动实现竖直方向整体移动、水平面内整体回转、水平方向伸缩运动、竖直平面内前臂回转、机械手张开与闭合五种运动,从而实现搬运机械手的运动与物品的夹取和放下.底座;内螺纹齿轮;丝杠臂;转动从动齿轮;减速器高速轴;减速器低速齿轮;齿条臂;手臂俯仰电机;机械手前臂;手爪电机;丝杠牵杆;手爪;转动电机;锥齿轮;转动主动齿轮;升降主动齿轮;升降电机图搬运机械手结构示意图 搬运机械手的工作流程基于图搬运机械手的结构,搬运机械手的典型工作流程如下:步骤:机械手臂处于初始位置,检测待搬运物品的具体位置.步骤:由升降电机 正转带动升降主动齿轮 转动,进而带动内螺纹齿轮转动,通过内螺纹齿轮和丝杠臂的螺旋 传动实现机械 臂在竖直方 向的移动.步骤:转动电机 正转带动锥齿轮 和转动主动齿轮 转动,通过转动主动齿轮 和转动从动齿轮的啮合传动,实现机械臂在水平方向的回转.步骤:通过减速器低速齿轮和齿条臂的啮合传动,实现齿条臂的水平方向移动.步骤:手臂俯仰电机正转通过蜗轮蜗杆传动和齿轮传动,实现机械手前臂的俯仰运动,进而接近待搬运物体.步骤:手爪电机 正转带动丝杠牵杆 转动,通过丝杠螺母传动,实现手爪的张开和闭合,夹取待搬运物体.步骤:通过力传感器检测夹紧力.步骤:手臂俯仰电机反转通过蜗轮蜗杆传动和齿轮传动,实现机械手前臂的回转动作,回到水平位置.步骤:减速器低速齿轮反转,并通过啮合传动带动齿条臂运动,使齿条臂回到初始位置.步骤:转动电机 反转,带动锥齿轮 和转动主动齿轮 转动,通过转动主动齿轮 和转动从动齿轮的啮合传动,使机械臂在水平方向回转到初始位置.步骤:升降电机 反转,通过内螺纹齿轮和丝杠臂的螺旋传动,使机械手在竖直方向移动到初始位置.新型搬运机械手执行机构的检测方案在实际工作情况中,待搬运物体煤矿管件需要从某一个特定区域搬运至另一个指定区域,由上文可知,搬运机械手各种功能的实现主要依靠电机提供动力带动相关执行机构作业,而各类执行机构作业的精准程度直接影响搬运机械手的工作效果,因此,对搬运机械手执行机构进行检测可有效监督搬运效果是否符合预期要求,为后续对搬运机械手进行控制或调修提供基础数据.传统的检测方案只安装编码器或者只安装编码器,这两种检测方案各有优缺点,前者为半闭环控制,测量较为容易,且对编码器的要求较低,成本低廉,但它不能检测控制环之外的减速器以及执行机构的传动误差;后者可以实现较为精确的控制,但由于传动间隙的影响,容易造成系统不稳定.为实现对新型搬运机械手执行机构的检测,本文的检测方案为两种传统检测方案的结合,其结构框图如图所示.综合考虑传感器的成本和使用性能,采用旋转编码器来测量关节角度以及角速度,但两个编码器的作用不同,编码器主要用于角速度的检测,从而实现速度控制,为速度环控制系统服务;编码器主要用于角位置的检测,实现角位置的精确控制,为位置环控制系统服务,两者的结合实现了位置和速度的精确控制.此外,可再结合对电动机电流的检测,共同构成位置环、速度环和电流环三环结构,可进一步实现搬运机械手的精准检测.图搬运机械手执行机构检测方案框图新型搬运机械手夹持机构的设计夹持机构是搬运机械手的重要组成部位,它是用来直接夹持相关物品,其结构应根据被夹持对象的形状、尺寸、轻重和材料性能以及表面情况来确定.本文设计的搬运对象为管件,直径 mm,重量 k g,要求夹持手爪的开合度必须符合要求,即手张开时,能够把物件放入机械手手指之间,当手爪闭合时能够抓紧物件.搬运机械手夹持机构结构示意图如图所示.手爪牵动轴;拉杆;销轴;手爪;橡胶块;物件图搬运机械手夹持机构结构示意图搬运机械手的夹持机构设计方案采用手爪形式,它通过两个手指的张合来夹持相关物件.这种机械手夹持机构的结构设计比较简单,工作可靠,且制造方便,比较适合对机械手工作精度要求不是很高的普通型机械手,有利于降低设计、制造、维护和维修的成本.面向低成本需求的搬运机械手设计及制造要求为实现搬运机械手的低成本研制,基于面向制造的设计、精益改进等理念,对设计端和制造端提出要求,即在产品设计时应考虑产品可制造性和经济性,在产品制造时应以精益理念为牵引实现优质高效产品交付,避免出现返工重置等浪费现象.()设计端:在对搬运机械手进行方案设计时先进行成本组成分析,基于成本分析结果,材料费占搬运机械手研制总费用比例最大,为对材料费进行合理控制,将搬运机械手的所有组成零件分为主承力零组件(如机械手前臂等)和次承力零组件(如丝杠牵杆等),针对主承力零组件的材料优先选用 号碳钢等较为常见的黑色金属,针对次承力零组件的材料优先选用 铝合金等价格较低的有色金属.在零件结构设计上应尽量避免异性、复杂、变曲率曲面等特征的设计,一方面保证从毛坯类型上避免选用模锻件、铸件等需要产生模具制造费用的高价值毛坯,另一方面从制造工艺上保证采用铣削、车削、钻削等常规制造工艺即可实现,避免增加专用设备的购置费用或专用夹具的制造费用.()制造端:基于精益改进避免浪费的思想,需从搬运机械手的产品加工质量和生产模式入手进行成本控制.为降低搬运机械手零件制造、装配集成过程中由于产品质量不合格引起的返工、返修、报废重置等现象导致的成本上涨,建议针对各工序进行标准化处理,包括加工参数标准化、工艺流程标准化、操作方法标准化等;为降低由于产品转换引起的加工前准备等非增值作业,建议引入成组技术根据零件特征相似性进行合并投产,以实现产品高效加工,降低产品制造工时费用.结语本文以低成本为导向设计了一种新型搬运机械手,经论证,本文设计的新型搬运机械手不仅可有效实现物体的搬运功能,且具有较好的经济性和广阔的推(下转第 页)年第期李军,等:一种面向低成本需求的新型搬运机械手结论针对大举升高度、大负载的 级风条件稳定工作的车载雷达举升工程需求,提出并创新设计了一款 m车载雷达举升集成系统,包括伸缩举升传动机构、移动副消隙机构、阵面摆角补偿机构,为工程化设计提供了理论支持.参考文献:杨春瑞典G i r a f f e高架机动雷达的发展概况及趋势J现代防御技术,():P e n gG,S u nY R,H a nCLA na u t o m a t e da s s e m b l yt e c h n o l o g yf o r l a r g em o b i l er a d a ra n t e n n aJA s s e m b l yA u t o m a t i o n,():康伟车载雷达举升装置装配精度控制关键技术研究D武汉:武汉理工大学,:L a r r i n a g aNDUKo r d e r sa d d i t i o n a lS a a bG i r a f f eAMBr a d a r sJ J a n e sD e f e n c eW e e k l y,():李如钢,周正关瑞典“长颈鹿”系列雷达J电子工程信息,():江伟,席广辉,宋为民,等某机动雷达高架举升系统设计J雷达科学与技术,():于清江,岳宏伟起重机七节臂伸缩机构设计J机械工程师,():,韩梅车身冲压线模具快速夹紧装置的应用J现代零部件,():I n n o v a t i v eD e s i g no fL a r g eH e i g h t a n dH e a v yL o a dL i f t i n gM e c h a n i s mf o rV e h i c l eR a d a rWA N GL e i,G A OD o n g y u,Z H A N GL i a n g,Z H O UY u l i n(S h a n x i I n s t i t u t eo fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,C h a n g z h i ,C h i n a;C h i n aA c a d e m yo fL a u n c hV e h i c l eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Y a n s h a nU n i v e r s i t y,Q i n h u a n g d a o ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ed e s i g nt a s ko f r a d a r l i f t i n gm e c h a n i s mw o r k i n gr e l i a b l ya n ds t a b l y i n t h ee n v i r o n m e n t o f l a r g e l i f t i n gh e i g h t,h e a v y l o a da n dl e v e l w i n d,i no r d e rt os o l v et h ec o r et e c h n i c a lp r o b l e m so fv e h i c l es t o r a g e,m e c h a n i s ms t i f f n e s sa n dr a d a rp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo f t e l e s c o p i cm e c h a n i s m,a mv e h i c l eb o r n e r a d a r l i f t i n gm e c h a n i s mi n t e g r a t e ds y s t e mi s i n n o v a t i v e l yp r o p o s e da n dd e s i g n e d,u s i n g m o d u l a rd e s i g ni d e a,t h el i f t i n g m e c h a n i s mi sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s,i n c l u d i n gt e l e s c o p i cl i f t i n gd r i v em e c h a n i s m,m o v i n gp a i rg a pe l i m i n a t i o nm e c h a n i s ma n dr e a l t i m e c o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mf o r a r r a ys w i n ga n g l e,a n d t h e s t r u c t u r a ld e s i g na n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga r ec o m p l e t e d I tp r o v i d e s t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o re n g i n e e r i n gd e s i g n K e y w o r d s:t e l e s c o p i c l i f t i n gm e c h a n i s m;d i s p l a c e m e n tr e a l t i m ec o m p e n s a t i o nm e c h a n i s m;m o v i n gp a i rg a pe l i m i n a t i o nm e c h a n i s m;v e h i c l er a d a r(上接第 页)广前景.参考文献:潘平盛自动化生产线搬运机械手控制系统的设计研究J机械设计与制造,():梁礼群自动化生产线搬运机械手设计研究J组合机床与自动化加工技术,():张磊基于P I控制策略的生产线搬运机械手电气控制系统设计J机械与电子,():梁锋产品目标高精度拾取的自动化生产线搬运机械手设计J机械设计与制造工程,():郭北涛,张众宇搬运机械手控制系统的设计和实现J机床与液压,():郑红梅,闫其龙,陈科,等基于P L C的磁环搬运机械手设计J制造业自动化,():,冯开林,王天一,宋兰,等玻璃搬运机械手电液伺服系统设计J机床与液压,():余国威高速搬运机械手的维护保养策略探讨J装备制造技术,():,马青华气动搬运机械手的机械结构设计J机械管理开发,():刘洋基于P L C的自动抓手库系统设计J通讯世界,():马子领,张瑞珠,吴林峰在线产品智能搬运机械手系统视觉识别技术J计算机测量与控制,():胡亚维基于单神经元P I D的机械手移动路径智能控制方法J自动化技术与应用,():,张袁浩,潘祥生,陈晓晶,等智能选矸机器人关键技术研究J工矿自动化,():,N e wT y p eo fH a n d l i n gM a n i p u l a t o r f o rL o w C o s tN e e d sL IJ u n,Z H A N GB o,H A NY o n g l i a n g(R e n j i a z h u a n gC o a lM i n e,N i n g x i aN i n g l uC o a lP o w e rC o,L t d,Y i n c h u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt or e a l i z et h eo b j e c th a n d l i n gf u n c t i o na n d m e e tt h er e q u i r e m e n t so fl o w c o s tm a n u f a c t u r i n g,an e wt y p eo fh a n d l i n gm a n i p u l a t o r i sd e s i g n e d T h e s t r u c t u r e c o m p o s i t i o n,w o r kf l o wa n da c t u a t o r i n s p e c t i o ns c h e m eo f t h eh a n d l i n gm a n i p u l a t o ra r ed e s c r i b e d i nd e t a i l O nt h i sb a s i s,t h eg r i p p e rs t r u c t u r eo f t h eh a n d l i n gm a n i p u l a t o r i sd e s i g n e d T h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h en e wh a n d l i n gm a n i p u l a t o rh a s t h ea d v a n t a g e so f l o wc o s t a n dg o o dh a n d l i n ge f f e c t,a n dh a sh i g hp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u e K e y w o r d s:h a n d l i n gm a n i p u l a t o r;c l a m p i n gm e c h a n i s m;l o wc o s t机 械 工 程 与 自 动 化 年第期