一种气动助力机械臂设计

侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

一种气动助力机械臂设计

侯俊逵，熊瑞平，彭博，唐小康

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

针对电机转子上料组装，设计了一种辅助搬运的气动助力机械臂装置。该装置由机械结构、夹具、气路控制系统及操控盘组成，机械臂由驱动气缸平衡重物，达到省力的目的。对气动助力机械臂进行了整体的结构设计，并进行了理论的分析与计算，采用分析结论和计算结果对锚栓、气缸进行选型，对关节的转动轴进行了弯曲强度的校对。同时，提出一种采用储气罐和空气诱导止回阀气路逻辑控制方法，能保证在断气、断电和气压不稳定的情况下安全可靠。最后用ANSYS Workbench对关键结构进行静力学仿真分析，结果表明结构的强度和刚度达到使用要求。

搬运；气动；机械臂

气动助力机械臂作为一种人机协同辅助搬运设备，能够利用机械臂高负载能力和发挥人的感知能力，高效、灵活、准确地将繁重的物料搬运到指定位置，对于提高自动化生产水平、改善人机工程、提高生产效率，具有十分重要的作用[1]，广泛应用于汽车制造行业、电子制造行业和生产自动化等行业[2]。然而，气动助力机械臂在不同的运用环境有不同的性能要求，如果在实际应用过程中其设计不合理，或者未能达到性能指标要求，将直接影响到使用的安全性和可靠性。因此，本文主要对气动助力机械臂进行结构设计和力学计算，并提出了一种采用储气罐和空气诱导止回阀电气逻辑控制方法，能够有效地保证机械臂使用的安全性和可靠性，相较于传统的机械而言，更加简单，运行更加便捷、高效[3]。

本文根据某车企新能源电机组装线研究内容，探索与设计一种气动助力机械臂，用于完成电机转子上料组装，辅助工人沿指定轨迹搬运重50 kg的转子，从物料架位移到装配线上，要求定位精确、操作方便、安全可靠、有效减轻作业人员劳动强度。表1是气动助力机械臂的设计要求。

表1 气动助力手臂设计参数

1 气动助力机械臂结构设计

根据设计参数要求进行整体设计，气动助力机械臂主体结构由连杆、立柱、气路控制系统、电控系统几个部分组成，用NX 8.0绘制出三维模型图，如图1所示。

1.基座 2.大臂 3.驱动气缸 4.平行连杆臂 5.储气罐 6.小臂 7.操控盘 8.夹具

气动助力机械臂机构由基座、大臂、小臂等组成，是一系列连杆组成的空间连杆机构，连杆与连杆有相对转动的运动关系。气动助力机械臂一端是固定基座，另一端是机械臂的末端执行器。气动助力手臂通过基座固定于地面。在末端执行器上焊接有一套抓取夹具，夹具是根据抓取工件外形和尺寸设计的，通过气缸完成物料的抓取、释放。本设计由气缸提供驱动力，其工作原理是利用气体压力使气缸活塞杆运动，通过气缸平衡杠杆，使负载处于悬浮状，从而达到省力的效果。在小臂上焊接操控盘，控制按钮安装在操控盘上，作业人员通过此操控盘对气动助力机械臂操控作业。

图2是机械臂的结构简图，根据工作的高度和行程的大小，确定机械臂各个机构设计尺寸，机械臂结构尺寸具有不唯一性特点，所以各杆尺寸可以在一定的范围内选取，相关结构尺寸参数如表2所示。

图2 气动助力机械臂结构简图

表2 机械臂结构尺寸

基座是机械臂的根基，主干采用160 mm圆管材，材质为Q235，有较好的刚度和强度[4]，考虑到机械臂需要的高度，因此高度尺寸设计为1060 mm。基座上端支撑着整个机械臂连杆结构，上端通过螺钉与大臂锁紧，下端用锚栓与混凝土地面锚紧，两端采用法兰盘设计，对于基座的设计除了自身要有足够的强度和刚度外，还要考虑到与地面固定的可靠。

锚栓分布如图3所示，锚栓将基座与混泥土地面连接，锚栓组设计呈圆形分布，共使用4根。锚栓组在机械臂自重和负载的作用力下，在基座与地面接触处形成倾覆力矩，与作用在基座轴线方向形成于平衡的力矩，由于锚栓会拧紧，锚栓还将会受到预紧力0，根据锚栓组结构和受载情况进行受力分析，以此找出锚栓组中受力最大的锚栓并计算出受力的大小。基座受力分析如图4所示。

图3 基座机构图

图4 基座受力分析图

即：

式中：F为第个锚栓所受载荷，N；L为各锚栓轴线到底板圆心轴线距离，m。

因为：

式中：max为锚栓所受最大载荷，N；max为锚栓轴线到底板圆心轴线最大距离，m。

则有：

于是可以得出锚栓所有最大的负载为：

式中：为锚栓总个数[5]。

机械臂大臂和基座组成一个可以转动的大关节，结构如图5所示。转动角度为360°，大关节为机械臂提供一个转动自由度，转动是通过轴承装置组件实现的。对于大关节的转动结构设计，除了要考虑此处受力大小因素外，还要考虑受力方向。在这里，大关节同时受到了轴向力和径向力，因此采用深沟球轴承和圆锥滚子轴承的组合设计，可以承受较大的轴向载荷和径向载荷。

图5 关节结构图

如图5所示，深沟球轴承和圆锥滚子轴承支撑转动轴转动，由于受到来自机械臂自身重力和负载的作用力，在转动轴处形成弯矩，

按照轴所受的弯矩计算轴弯曲强度为：

式中：为转动轴的抗弯系数，mm3；为轴的直径，mm；为轴的计算应力，MPa；为轴的弯矩，N·mm。

计算得：＝50204 mm3；σ＝51 MPa。

转轴使用45#钢材，经过调制热处理，许用弯曲应力-1＝60 MPa，有σ＜[-1]。

大关节配置有制动气缸（图6），用气缸的夹紧力抵消大关节转动过程中，转动惯量对操作的不利影响。

图6 制动结构三维模型

图7是大臂的三维结构图，大臂呈Y形设计。下端有用于支撑驱动气缸的平台，设计厚度为30 mm。中段采用圆管截面设计，圆管外径160 mm，壁厚12 mm，圆管两边分布安装储气罐和电控箱，上端是U字形状，安装平行连杆，并与平行连杆之间通过转动轴和轴承形成转动副连接，U形结构整体厚度为20 mm。驱动气缸、电控箱和储气罐安装在大臂上，位置相对集中，可以减少气路过长带损耗，增强气路系统控制灵敏性。

图7 大臂三维结构图

图8是平行连杆和小臂的三维结构图，平行连杆有上下两个。为便于后期制造的焊接工艺和关节设计故采用方管截面的杆件，方管的截面尺寸为长80 mm、宽80 mm、壁厚为8 mm。平行连杆与大臂之间都有转动副，经过四杆机构的转换，在机械臂末端执行器上转换为上下运动，气动助力机械臂就是通过这个上下运动把转子从料架搬运到组装设备上。同时，上端的平行连杆还作为与气缸连接的杠杆传递来自驱动气缸的动力。平行连杆和小臂之间关节在方向和方向各有一个旋转运动。

图8 平行连杆臂和小臂三维结构图

2 气动助力机械臂气缸选型

本文所设计的气动助力手臂结构，一端是气缸，另一端是末端执行器，为方便分析与研究把机械臂左右两端看作是杠杆，其中大臂是杠杆支点，利用杠杆原理相互平衡。气缸作为手臂的驱动动力，气缸提供驱动力大小决定着机械臂能否提起负载，气缸缸径大小决定输出力的大小，气缸行程决定着工作范围，因此对气缸参数选取是比较重要的一个环节。在气动助力机械臂所有工况当中，手臂四连杆和末端处于同一个平面时，气缸侧所受到的力矩最大，所以选取此时的状态用来计算气缸的缸径。在平衡条件下，为更准确地算出气缸受力大小，还需要考虑机械臂自身的重力。利用NX10测量体功能可以直接计算出杠杆两端的重心，同时添加材料密度属性，用分析模块可以分别计算出机械臂两端及其夹具重量。

可以得出：

式中：1为平行连杆臂于气缸连接处受到垂直于地面的力，N；2为4杆件重力，N；8为右端质心到支点距离，mm；1为负载重力，N；3为4、5两段结构重力，N；4为夹具重力，N；9为左端质心到支点的距离，mm。

利用三维模型尺寸测量可得1＝490 N、2＝145 N、3＝899.4 N、4＝297 N，代入式（1）得出1＝6192.5 N。

气缸轴线与1之间夹角为16°，设气缸受力大小为气，则有：

由压强公式推出气缸缸径为：

式中：为压强，Pa。

考虑到手臂关节摩擦等因素影响，根据经验和理论计算将缸径选择为140 mm。

气动助力机械臂气缸行程的参数获取用NX 10.0三维模型通过机械结构的运动仿真得出。如图9所示，工件来料时放置在一个高1的料架上，助力机械臂末端夹具从料架上需要将工件搬运到2的高度，然后位移到设备上进行组装。仿真方法是在NX 10软件中用约束中心命令定义各关节的运动副关系，使得关节能够相对转动，再把相对位置不变的零件用胶合命令约束，使其成为一个运动的整体，移动末端执行器，使夹具底部于地面垂直距离为1，标记1点的位置，然后重新移动末端执行器，用同样的方法使夹具离里面垂直距离为2，并标记2点位置，测量出1和2之间的直线距离，就是气缸行程需要的大小。

3 气路控制原理

气动机械手是国内外研究、设计、发展瞩目的一项技术[6]，通过控制压缩空气驱动气缸，平衡负载，达到机械臂省力的目的，利用操作盘上的按钮对气路进行控制完成机械臂执行气缸相关动作。图10是建立的气动助力机械臂系统气路图，机械臂的气路回路由单向阀、储气罐、过滤器、电磁阀、调速阀、空气诱导止回阀组成。首先，来自气源的气体先经过一个单向阀和储气罐，此处的功能是为后面的气路提供一个稳定的气压，可以把气源气压变化带来对机械臂使用不安全影响降低。然后，通过过滤器将气体净化，并调整压力分五路送入电磁阀中。驱动气缸是由一个三位五通电磁阀和一个两位三通电磁阀控制，气缸的升降由三位五通电磁阀控制，机械臂需要在上下位置固定时，闭合两位三通电磁通过空气诱导止回阀锁死气缸。制动气缸采用两个两位三通电磁阀控制，一个电磁阀控制气缸升降，另一个电磁阀搭配空气诱导止回阀用同样的方式实现气缸的锁死。利用前面两个控制回路中对气缸锁死的功能能够保证断气断电的情况下机械臂大臂的旋转和连杆上下运动被固定，采用此气路回路设计方法能够保证机械手使用的安全。

图10 系统气路图

4 关键结构有限元仿真分析

机械臂结构需要具有足够的强度、刚度来抵御外载荷下的断裂与变形，终端变形大小会影响终端定位精度[7]，因此分析气动助力机械臂在固定载荷下结构响应是设计中重要的一步。本文中，助力机械臂的小臂是所有结构中强度与刚度最弱的地方，静力学仿真是保证结构安全的第一道屏障[8]，所以有必要对小臂进行静力学仿真分析。

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是目前机械设计中广泛应用的先进设计方法之一，本文基于ANSYS Workbench对小臂进行有限元仿真。用NX 10设计的三维模型，将小臂导出XT格式文档，添加到Workbench静力学分析模块。机械臂小臂材料采用45号钢，材料密度7.8 g/cm3、杨氏弹性模量为210 GPa、泊松比0.3、屈服强度335 MPa，将材料属性设置到分析的模型中。对小臂划分网格，网格划分越小，计算精度越高，但是同时所需要计算时间也要更长，所以需要在计算精度和计算时间成本之间进行平衡[8-10]，本文中小臂机构简单，因此采用六面体结构划分网格，尺寸大小设置为20 mm。将载荷和夹具的重量添加到小臂上进行分析计算，得到仿真分析结果如图11～图13所示。从Workbench分析结果云图可知：小臂总的应力变形为0.23 mm，最大变形来自方向，小臂方向尺寸为945 mm，因此0.23尺寸为合理范围内；最大应力10.16 MPa，45号钢的屈服强度为335 MPa，最大应力小于材料的屈服强度。本节对机械手小臂静力学仿真，仿真的结果显示符合设计要求。

图11 总变形云图

图12 应力云图

图13 X方向变形云图

5 结论

针对电机转子组装上料，本文设计了一种气动助力机械臂，用于辅助搬运作业，减轻人员劳动强度。

根据工艺要求设计机械结构，满足功能要求，并通过工作的空间范围确定结构尺寸。气动助力机械臂利用锚栓紧固在混凝土地面，对基座进行理论力学分析计算，选出合适的锚栓型号。设计大关节转动结构，同时按弯曲强度对转动轴进行校对，结果表明轴的弯曲强度满足使用要求。

分析机械臂机构原理，通过理论计算和NX 10三维运动仿真，得出气缸的选型参数。

与此同时，对机械臂装置设计了一种带安全锁气路控制，利用储气罐处理，稳定气压，气路当中加入空气诱导止回阀，可以保证在断气断电过程中，气动助力机械臂不会产生危险动作，能够有效保证装置使用的稳定和安全。

在此基础上，用ANSYS Workbench对关键结构小臂进行了静力学仿真，结果表明，小臂在设计负载下，结构安全可靠，满足强度、刚度要求。

[1]王小伟. 轮胎安装气动助力机械手的研发[D]. 重庆：重庆理工大学，2018.

[2]刘威，姚涛. 气动平衡装填机械手技术研究[J]. 机电工程技术，2014（7）：87-90.

[3]周詠淳. 助力机械手的系统结构及应用分析[J]. 路桥工程，2018（42）：18-42.

[4]陶子航. 轻型机械臂结构及控制系统的设计研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2017.

[5]濮良贵. 机械设计[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2012：78.

[6]杨孟涛，黎泽伦，杨永刚. 一种组合式气动柔性机械手设计[J]. 液压与气动，2020（5）：52-55.

[7]曲典伟. 气动平衡助力机械臂理论研究与仿真分析[D]. 济南：山东大学，2018.

[8]江民圣. ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践[M]. 北京：人民邮电出版社，2019.

[9]蔡自兴，机器人学[M]. 3版. 北京：清华大学出版社，2015.

[10]程永奇，张贵成，孙友松，等基于UG的传动机构有限元分析方法研究[J]. 机械，2010，37（11）：40-43.

Design of a Pneumatic Assist Manipulator

HOU Junkui，XIONG Ruiping，PENG Bo，TANG Xiaokang

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Aiming at the loading and assembly of motor rotor, a pneumatic power assisted manipulator was designed to assist transportation. The device is composed of mechanical structure, fixture, pneumatic control system, and control panel. The mechanical arm is driven by the cylinder to balance the weight, so as to save labor. This paper conducts the whole structure design of the pneumatic power assisted manipulator and carries out theoretical analysis and calculation. The anchor bolt and cylinder are selected according to the analysis conclusion and calculation results, and the bending strength of the rotating shaft of the joint is checked. A logic control method using gas storage tank and air induction check valve is put forward, which can ensure the safety and reliability in the case of gas cut-off, power-off and unstable air pressure. Finally, ANSYS Workbench is used to carry out static simulation analysis of the key structure, and the results show that the strength and stiffness of the structure meet the service requirements.

handling；pneumatic power；manipulator

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.006

1006－0316 (2021) 02－0042－07

2020－08－10

四川省重点研发项目：智能涂装产线关键技术的开发与集成（2020YFG0119）；四川省智能制造与机器人重大专项课题：工业机器人成套装备研制与应用（2019ZDX0019）

侯俊逵（1991－），男，四川巴中人，硕士研究生，主要研究方向为结构设计与控制，E-mail：alliswell.h@foxmail.com。