拖拉机曲轴生产线清洗机械手的研究设计

张洪山+张福学

摘要：阐述了拖拉机曲轴生产线用清洗机械手研究设计的重点内容，包括设计的目的、方案构思、轻量结构、强度校核、附属部件的设计、三维建模等。

关键词：曲轴；清洗；机械手

中图分类号：TG751.3文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.008

1设计的目的和意义

拖拉机可应用于国民经济的各个部分，是现代化农业生产所必备的动力机械，在农业生产中作用大、用途广。

拖拉机的使用在我国已有近百年的历史了，它的发展和使用促进了农业生产的发展，而现代化农业的发展又促进了拖拉机技术的进步和完善，以不断提高劳动生产率、改善劳动条件，从而获得更大的经济效益。

我国的拖拉机从无到有，发展异常迅速，但与国外相比起步较晚，技术还比较落后，无论在产品的质量、数量上，还是在品种上与发达国家相比，都有一定的差距。

近50年来，国外拖拉机的功率日趋增大，技术水平越来越高，对生产的要求，特别是对生产中各零件的要求更是越来越高，在零部件清洁方面大多采用自动线清洗或机器人清洗，而机器人清洗是高于自动线清洗的崭新的技术，在机器人清洗设备中，机械手的设计是很关键的部分，下文主要介绍一下曲轴抓取机械手的研究和设计。

2设计方案构思

2.1抓取工件位置及定位方案的确定

机械手抓取工件的原则是不伤及加工精度较高的主轴颈和连杆轴颈，定位稳定可靠，不遮挡工件主要部位的清洗，保证清洗设备中高压水流能够直接冲击主轴颈和连杆轴颈表面。根据这一要求和曲轴的具体结构，确定以曲轴两端的中心孔定位并两端用夹紧力夹紧，这样即限制了曲轴在x轴、y轴方向上的移动自由度和转动的自由度，又能保证工件牢固可靠，在机械手缓慢移动和快速移动中工件曲轴不会松脱。上诉夹紧定位也限制了z轴移动的自由度，而z轴转动的自由度还处于自由状态。被夹紧的工件—曲轴有两端，即法兰端和长轴端，在法兰端面有个定位销孔，在该孔中插入定位销，定位销的另一端与夹紧手臂固定，曲轴转动的自由度也被完全的限制。

2.2机械手整体结构的方案构思

欲实现上文中确定的定位和夹紧的功能，需要有两只机械手手臂，并且能够移动，以便实现夹紧时曲轴在机械手的操纵下完成直线移动和曲线运动的目的，同时，机械手又能松开曲轴放置在指定的位置，实现抓取另一只曲轴继续清洗的功能。

能够实现这种移动的动力原件有多种，如气爪、气缸、油缸、电缸等。在没有特殊要求的情况下尽量采用气缸，因为它具有成本低廉、结构简单、体积小、重量轻、能源清洁方便等优点。

两只手臂都需要移动就需要两只气缸，如果只需要一支手臂移动只需要一只气缸就可以满足要求。由于机械手是由机器人带动工作的，而机器人可以在一定的范围内做任意动作，控制机械手到达任意位置，因此在机器人带动机械手抓取曲轴时，可以机器人带动一只固定的机械手臂靠近曲轴的一端，之后另一只手臂在气缸的驱动下夹紧曲轴的另一端，这样只需要一只气缸即可完成要求的动作。

设计这种机械手需要有一个相对于机器人固定的部件，我们称它为连接块，它前端与机器人的连接盘连接，下端与机械手的固定手臂连接，也与气缸固定连接，活动的机械手臂与气缸连接，并随气缸做直线移动。

气缸在夹紧曲轴时，两只机械手臂受弯曲应力的作用，所以两个手臂在设计时要有一定的抗弯强度和较好的刚度。而活动手臂的弯矩会理所当然的传递给气缸，至使气缸也承受较大弯矩的作用。而气缸本身不具备抵抗弯矩的能力，只能承载轴向载荷。解决的办法是增加一组直线移动导轨，导轨的一端与连接块固定，另一端与活动的机械手臂固定。这样活动的机械手臂的弯矩直接传给了直线导轨，直线导轨的主要作用就是承载弯曲应力的作用，把活动手臂的弯矩通过导轨传给连接块。方案构思如图1所示。

1.机器人连接盘 2.连接块 3.机械手固定手臂 4.气缸 5.机械手活动手臂 6.定位销 7.曲轴夹紧顶尖 8.曲轴

3整体结构建模

該机械手是装载于机器人连接盘的动作部件，机器人实现将机械手移动到所需要的位置，机械手实现抓取目的工件。应用以上构思的方案，通过计算机三位软件建模，得到拖拉机曲轴生产线抓取曲轴清洗机械手整体构造如图2所示。

4机械手手臂的轻量化设计

机器人以及气缸所能承受的载荷是一定的，如果机械手连同曲轴的重量较大，就需要选择较大的机器人和气缸，这就需要更高的成本投入，也浪费电力、气源等能源。在设计时，曲轴的重量是不可以改变的，但是，机械手臂的重量可以在设计时采取一些措施，使其在保证要求的前提下，尽量减少实体材料。手臂主要承载弯矩的作用，如果设计成实体结构，显然是不合理的，本设计中采用了类似于工字钢结构的截面，在长度方向上两端尺寸不等，近似于等强度梁，在工字钢底板的中性层附近进行挖空处理，在保证强度和刚度的前提下，尽可能的减少重量。

5气缸的选择

已知条件：生产车间气源压力为p=4 kg/cm2，曲轴重量18.6 kg，两端顶尖孔角度60°，中心孔深度23 mm，安全系数K=3～4，两端顶尖顶端距端面留出15 mm的距离。

5.1气缸行程的选择

气缸行程h=23×2+15×2=76 mm

查表，按气缸标准，选择气缸行程为100 mm。

5.2气缸直径的选择

根据曲轴两端中心孔的参数，计算夹紧力

F1=18.6×10=186 N

F2=F1·ctg30°=186×1.732=322 N

F=K·F2=（3～4）×322=966～1288 N

选择直径为63 mm的气缸，夹紧力为endprint

f=3.144·d2·P=3.144×6.32×4×10=1247 N

符合夹紧力的要求。

5.3选择气缸型号

根据以上计算结果，结合清洗设备对动力原件的要求，选择型號为CNA2F63-100防水带端锁气缸即可满足使用要求。

6机械手臂变形量校核

已知条件：气缸夹紧力P=1247 N，机械手臂悬臂长度L=31.8 mm（由结构设计确定），材料的弹性模量E=2×105 kg/cm2，手臂截面为近似工字型，由两块相同并镜像的底板和一块腹板组成，每块底板根部均为矩形截面，其尺寸为100 mm×12 mm，要求夹紧处的弯曲变形量小于0.05 mm。

校核如下：

腹板的抵抗变形的能力可以忽略不计，只计算两块底板的变形量，矩形截面的轴惯性矩为

J=h12·b3，每块底板的轴惯性矩为

J=h12·b3=1.212×103=100 m4，

夹紧处机械手臂的最大变形量为

Y=p2EJ·L3=12472×2×105×2×100×3183=0033 mm

0.033 mm<0.05 mm，满足设计要求。

7辅助零部件的设计

7.1气缸防护设计

气缸作为比较精密的部件，在曲轴清洗操作中，为了避免被清洗掉的颗粒、铁削等杂物冲击，避免高压清洗的水流冲击进气管接头或调速阀等缘故，必须加以防护。因此设计了气缸防护罩。

7.2检测装置设计

机械手抓取工件后，由机器人带动完成其他的动作，在机器人动作之前，必须检测工件是否准确的被抓取，避免由于气缸卡滞、气源故障、不正常的干涉等因素所导致的气缸移动不能到位、工件夹紧不可靠等不能正常夹紧抓取的情况发生。其次，机器人将前一工件放置到指定位置后，需要再次抓取另一工件进行清洗作业，此时需要确认气缸是否完全伸出，机械手是否完全张开，此时也必须进行检测。所以，机械手需要有两个位置的检测，即气缸完全收回、机械手处于正确的抓取状态，以及气缸完全伸出、机械手处于完全张开的状态。

这两种检测均属于位置检测，位置检测的原件有行程开关、光电开关、接近开关、磁性开关等多种，本机械手选用接近开关作为位置检测的原件，因为它具有防水、价格较低、设计结构简单、检测准确度能满足使用要求等优点。具体结构布置如下，在气缸防护罩上设计两个孔用来安装接近开关，两个孔的距离等于气缸行程，设计检测架，使其一端固定在机械手的活动手臂上，另一端装有检测块，检测块在气缸完全收回时与第一个检测开关对齐，在气缸完全伸出时与第二个检测开关对齐。

由于接近开关的电线已经接入了机器人的控制系统，在气缸收回和气缸伸出时均能检测到位置信号，可以作为机器人带动机械手动作的依据，以保证在曲轴清洗的动作中不会出现异常的故障。避免意外事故的发生。

8防止锈蚀设计

机械手是在机器人的驱动下进行各种清洗作业的，清洗液中的主要成分是水，虽然清洗液具有防止工件锈蚀的成分，但机械手长期在高温的清洗液中浸泡和冲击，也必须做好防止锈蚀的设计。

该机械手零件设计时，气缸防护罩等薄板类零件均采用304不锈钢材料，具有很好的防锈作用；曲轴两端的顶尖采用碳素结构钢制造，表面抛光后采用镀硬铬处理，具有强度和刚性较好、防锈、耐磨性好等优点；其它结构件一般采用结构钢制造，并喷砂后经过镍磷浸镀的表面处理，这种处理工艺具有防锈效果好、镀层能较好的渗透到零部件的角落和缝隙中，是一种很成熟的防锈工艺。

9细化数模，完善结构设计

完成以上辅助设计和精量化设计，机械手臂结构具体化并轻量化，气缸按实际结构尺寸绘制数模并添加连接，增加气缸防护罩和位置检测装置，重新绘制机械手数模如图3所示。

10结论

按照以上数模绘制工程图，编制机械加工工艺，购置气缸、接近开关等外购件，加工并装配出试验样机。通过一系列试验和测试，该样机完全可以满足拖拉机曲轴生产线清洗机械手的使用要求，说明设计方案合理、可行。

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