SolidWorks实战：自动装卸机械结构设计

摘 要：

机械手是能够实现自动化定位控制的多功能机器，在国内外工业自动化控制领域中占据主要地位。使用模块化和优化设计 理论实现自动装卸机械结构的设计，利用 ANSYS 软件进行校核，使用 SolidWorks 软件实现运动过程仿真。仿真结果表明，该设计能 够满足机械运动需求，可降低装卸成本，提高装卸工作效率。

关键词：SolidWorks；自动装卸机械；结构设计

0 引言

随着现代工业水平的持续发展，自动化作业备受人们重 视。在此背景下，物料装卸机构也在不断创新和发展，以控制系 统的程序指令模仿人类手臂的动作，实现物料工件自动化抓 取，应用于冲压、热处理、机加工等工艺过程。工业机械手的生 产效率高，不仅能够实现不间断工作，还能够实现物料转移位 置精度可控，因此具备高精度、高效率的优势，尤其是在低压、 低温、高压、高温环境中应用，能够代替人工工作，避免在特殊 环境中对人造成伤害。

1 自动装卸机械结构的功能

自动装卸机械结构终端为气动夹爪，能够实现抓放的动 作，通过双电控电磁阀和双作用气缸实现控制。在垂直方向，气 动夹爪安装在双作用气缸中，能够实现下降和上升等动作，利 用单电控电磁阀控制方向。伸缩气缸垂直安装，实现伸缩动作， 通过双电控电磁阀实现水平双作用气缸。机械手动作通过 7 个 控制点和 4 个电磁阀实现伸缩、旋转、抓放和上下的动作。另 外，利用信号开关启动机械手感知部分，将电感式传感器设置 在左右极限点，将磁电开关设置到上下极限点，表 1 为气动机 械手 I/O 表。

2 自动装卸结构设计

2.1 夹持机构设计

夹持机构使用直杆移动机构，滑块使用电机驱动，通过曲 杆和直杆交点位置对滑块所处位置进行控制，以此达到夹持目 的。为了提高整体装卸系统的适用 性，利用机械式夹持机构的直杆式平 移夹持机构，动力源为电机，使用 4 片夹片。图 1 为夹持机构运动示意， 构件 A 为曲线，构件 B 利用滑块和 构件 A、固定直杆 C 连接。在构件 A 旋转过程中，构件 B 受到滑块的约 束做直线运动，运动规律和直杆、曲 杆在垂直方向投影面的交点位置相 关，利用改变曲线参数对滑块运动 速度和位置等参数进行控制。

曲杆曲线设计是夹持机构的设计重点，参数设计曲线为夹持箱 体的长度、宽度。假如物体规则箱体存在曲杆旋转动作，利用极限坐标确定点位置。各个点之间的间隔角度设置为 45°，利用样条曲线 和各个点相互连接。曲杆曲线见图 2，夹持机构设计图见图 3。

2.2 底座回转设计

自动装卸结构底座即机械手俯仰机构、直线位移的回转基 座，在底座部分安装基座，精度对机构末端精度具有直接影响， 因此要保证其精度。另外，底座承受设备全部的重量，所以要求 底座安装基面足够使用，强度和刚度要足够大。为了实现自动装 卸机构的稳定性和灵活性，该部分使用 BZL-200 型直流电机驱 动，机长为 103 mm，额定电压 24 V，直径 89 mm。 2.2.1 蜗轮蜗杆设计

1）参数设置。蜗杆输入功率 P2=0.18 kW，蜗轮转速 n2= 50 r/min，使用寿命为 5 年。

2）选择材料。因为机器人结构尤为重要，蜗杆材料为 45# 钢表面淬火，蜗轮材料使用 ZCnS10Pb1，金属模铸造。

3）确定参数。为了使传动效率得到提高，传动比 i=20，蜗 杆 Z1=2，蜗轮 Z2=45。

4）计算齿面接触疲劳强度，中心距=174 mm。

2.2.2 直线运动设计

为了使自动装卸结构在工作过程中能够稳定运行，直线运 动速度设置为 20 mm/s。为了实现机构的稳定性和灵活性，驱动 电机使用直流电机，额定电压为 24 V，直径为 70 mm。

2.2.3 俯仰运动设计

为了保证机构的稳定性，使用 BZL-150 型电机，机长为 103 mm，额定输出功率 105 W，额定电压 24 V。应用转数设置 为 1500 r/min，第一级减速使用带传动，传动比设置为 5，第二 级为蜗轮蜗杆传动，传动比设置为 60。

2.3 机械手手爪的设计

机械爪设计要满足相应的原则，搬运式手爪实现物体的搬 运和夹取，为多类型手持装置。加工式手爪为机械手附加设备， 设置铣刀、焊枪等工具，能够实现作业加工。 机械手手腕为操作最末端，和手爪连接。手爪的空间动作和 作业与手臂配合，满足实际作业需求，具备一定自由度，并且小 巧轻盈、结构紧凑。自由度要根据实际情况确定，并且保证结构 钢度和强度，从而使其在工作过程中传递和运动的连贯性。在保 证其精度目标时，设置传动间隙调整。为了避免机械损坏，在手 腕各个关节实现开关设置。 机械手手臂要承受一定载荷，机械自身具备一定速度。为了 降低电机负载，和手臂关节轴对比，手臂要保证平衡，加强对机 械手的控制。

3 自动装卸结构的运动仿真

夹持纸箱设计为 530 mm×230 mm×370 mm，在平板拖车 中实现纸箱的设置，在平板拖车上方设置夹持机构，夹持机构向 下运动，机械手做向心运动使箱体夹紧，上抬一定高度在工作台 水平移动，之后垂直向下在工作台放置箱体，最后夹持机构翻 转，松开机械手，夹持机构回到初始位置，重复装卸过程。在整个 仿真运动中，要求运动速度准确，图 4 为自动装卸结构运动仿 真。仿真结果表明，该设计能够满足自动装卸机械的运动需求。

4 结束语

本文使用模块化和优化设计理论实现自动装卸机械结构的 设计，利用 ANSYS 软件进行校核。使用 SolidWorks 软件实现运 动过程仿真。仿真结果表明，该设计能够满足机械运动需求。整 体结构的设计能够实现功能需求，在装卸作业中使用可降低成 本，还能够提高装卸工作效率。

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