摘 要：機械手是能夠實現自動化定位控制的多功能機器，在國內外工業自動化控制領域中占據主要地位。使用模塊化和優化設計 理論實現自動裝卸機械結構的設計，利用 ANSYS 軟件進行校核，使用 SolidWorks 軟件實現運動過程仿真。仿真結果表明，該設計能 夠滿足機械運動需求，可降低裝卸成本，提高裝卸工作效率。 

關鍵詞：SolidWorks；自動裝卸機械；結構設計

0 引言 

隨著現代工業水平的持續發展，自動化作業備受人們重 視。在此背景下，物料裝卸機構也在不斷創新和發展，以控制系 統的程序指令模仿人類手臂的動作，實現物料工件自動化抓 取，應用于沖壓、熱處理、機加工等工藝過程。工業機械手的生 產效率高，不僅能夠實現不間斷工作，還能夠實現物料轉移位 置精度可控，因此具備高精度、高效率的優勢，尤其是在低壓、 低溫、高壓、高溫環境中應用，能夠代替人工工作，避免在特殊 環境中對人造成傷害。 

1 自動裝卸機械結構的功能 

自動裝卸機械結構終端為氣動夾爪，能夠實現抓放的動 作，通過雙電控電磁閥和雙作用氣缸實現控制。在垂直方向，氣 動夾爪安裝在雙作用氣缸中，能夠實現下降和上升等動作，利 用單電控電磁閥控制方向。伸縮氣缸垂直安裝，實現伸縮動作， 通過雙電控電磁閥實現水平雙作用氣缸。機械手動作通過 7 個 控制點和 4 個電磁閥實現伸縮、旋轉、抓放和上下的動作。另 外，利用信號開關啟動機械手感知部分，將電感式傳感器設置 在左右極限點，將磁電開關設置到上下極限點，表 1 為氣動機 械手 I/O 表。 

2 自動裝卸結構設計 

2.1 夾持機構設計 

夾持機構使用直桿移動機構，滑塊使用電機驅動，通過曲 桿和直桿交點位置對滑塊所處位置進行控制，以此達到夾持目 的。為了提高整體裝卸系統的適用 性，利用機械式夾持機構的直桿式平 移夾持機構，動力源為電機，使用 4 片夾片。圖 1 為夾持機構運動示意， 構件 A 為曲線，構件 B 利用滑塊和 構件 A、固定直桿 C 連接。在構件 A 旋轉過程中，構件 B 受到滑塊的約 束做直線運動，運動規律和直桿、曲 桿在垂直方向投影面的交點位置相 關，利用改變曲線參數對滑塊運動 速度和位置等參數進行控制。

曲桿曲線設計是夾持機構的設計重點，參數設計曲線為夾持箱 體的長度、寬度。假如物體規則箱體存在曲桿旋轉動作，利用極限坐標確定點位置。各個點之間的間隔角度設置為 45°，利用樣條曲線 和各個點相互連接。曲桿曲線見圖 2，夾持機構設計圖見圖 3。

2.2 底座回轉設計 

自動裝卸結構底座即機械手俯仰機構、直線位移的回轉基 座，在底座部分安裝基座，精度對機構末端精度具有直接影響， 因此要保證其精度。另外，底座承受設備全部的重量，所以要求 底座安裝基面足夠使用，強度和剛度要足夠大。為了實現自動裝 卸機構的穩定性和靈活性，該部分使用 BZL-200 型直流電機驅 動，機長為 103 mm，額定電壓 24 V，直徑 89 mm。 2.2.1 蝸輪蝸桿設計 

（1）參數設置。蝸桿輸入功率 P2=0.18 kW，蝸輪轉速 n2= 50 r/min，使用壽命為 5 年。 

（2）選擇材料。因為機器人結構尤為重要，蝸桿材料為 45# 鋼表面淬火，蝸輪材料使用 ZCnS10Pb1，金屬模鑄造。 

（3）確定參數。為了使傳動效率得到提高，傳動比 i=20，蝸 桿 Z1=2，蝸輪 Z2=45。 

（4）計算齒面接觸疲勞強度，中心距=174 mm。 

2.2.2 直線運動設計 

為了使自動裝卸結構在工作過程中能夠穩定運行，直線運 動速度設置為 20 mm/s。為了實現機構的穩定性和靈活性，驅動 電機使用直流電機，額定電壓為 24 V，直徑為 70 mm。 

2.2.3 俯仰運動設計 

為了保證機構的穩定性，使用 BZL-150 型電機，機長為 103 mm，額定輸出功率 105 W，額定電壓 24 V。應用轉數設置 為 1500 r/min，第一級減速使用帶傳動，傳動比設置為 5，第二 級為蝸輪蝸桿傳動，傳動比設置為 60。 

2.3 機械手手爪的設計 

機械爪設計要滿足相應的原則，搬運式手爪實現物體的搬 運和夾取，為多類型手持裝置。加工式手爪為機械手附加設備， 設置銑刀、焊槍等工具，能夠實現作業加工。 機械手手腕為操作最末端，和手爪連接。手爪的空間動作和 作業與手臂配合，滿足實際作業需求，具備一定自由度，并且小 巧輕盈、結構緊湊。自由度要根據實際情況確定，并且保證結構 鋼度和強度，從而使其在工作過程中傳遞和運動的連貫性。在保 證其精度目標時，設置傳動間隙調整。為了避免機械損壞，在手 腕各個關節實現開關設置。 機械手手臂要承受一定載荷，機械自身具備一定速度。為了 降低電機負載，和手臂關節軸對比，手臂要保證平衡，加強對機 械手的控制。 

3 自動裝卸結構的運動仿真 

夾持紙箱設計為 530 mm×230 mm×370 mm，在平板拖車 中實現紙箱的設置，在平板拖車上方設置夾持機構，夾持機構向 下運動，機械手做向心運動使箱體夾緊，上抬一定高度在工作臺 水平移動，之后垂直向下在工作臺放置箱體，最后夾持機構翻 轉，松開機械手，夾持機構回到初始位置，重復裝卸過程。在整個 仿真運動中，要求運動速度準確，圖 4 為自動裝卸結構運動仿 真。仿真結果表明，該設計能夠滿足自動裝卸機械的運動需求。

4 結束語 

本文使用模塊化和優化設計理論實現自動裝卸機械結構的 設計，利用 ANSYS 軟件進行校核。使用 SolidWorks 軟件實現運 動過程仿真。仿真結果表明，該設計能夠滿足機械運動需求。整 體結構的設計能夠實現功能需求，在裝卸作業中使用可降低成 本，還能夠提高裝卸工作效率。 

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文章來源：設備管理與維修