一种机械臂防松锁紧机构的设计

一种机械臂防松锁紧机构的设计
摘要：本文针对机车车辆车轮生产中吊运机械臂工作过程中可能存在的机械故障或者控制信号故障等安全问题，采用曲柄滑块机构将转动运动变为直线运动的原理，提出一种机械臂防松锁紧装置。

该装置通过滑块伸出进入卡槽实现机械锁紧，通过滑块带动距离传感器接收信号以实现对电机的自锁。

机械锁紧和电子锁紧相结合，实现了双重保护，有效避免了机械臂工作过程中因为机械故障或人员误操作导致的工件掉落而造成安全事故。

关键词：曲柄滑块机构；机械臂；防松缩紧装置
0前言
随着现代信息技术的发展，自动化设备越来越广泛的应用到生产实践当中[1]。

车轮生产作业中，制动盘自动化安装生产线被引入进来，机械臂又是流水线作业中最重要的部分。

其中，广州地铁、E27、E28、标准动车组车轮机械臂主要承担对应车型车轮加工过程中的吊运工作，车轮在机械臂吊运的过程中，通过电机带动丝杠旋转将旋转运动转换为直线运动实现机械臂的夹紧和松开，而此方式夹取车轮运转时存在一定的安全隐患，例如由于机械结构的损坏或者操作人员误碰操作导致机械臂松开车轮掉落而发生安全事故，造成人员伤亡公司财产损失。

综上，需要添加相应的安全防护装置防止安全事故发生，应分别从机械结构和自动化控制两个方面考虑，使该锁紧装置既能实现机械结构上的锁紧，又能实现自动化控制上对电机的锁紧。

1结构原理
锁紧主体结构为曲柄滑块机构，将曲柄的旋转运动转变为滑块的直线运动[2]。

当曲柄位于左限位时，滑块伸出，滑块伸入卡槽，实现锁紧，当曲柄位于左限位时，滑块收回，锁紧解除，实现机械锁紧的功能。

现假设L1=L2，由式（1）计算h/L1随曲柄初始位置与其摇动角度的变化趋势，h/L1反应了滑块的伸出长度。

设置曲柄初始位置30°<<60°，曲柄摇动角度0<<30°，在曲柄摇动角度0<<30°范围内，滑块伸出长度随着曲柄摇动角度的增大而增大。

当曲柄初始
位置不同时，曲柄转过相同角度时滑块伸出长度不同，在曲柄初始位置30°<<60°范围内，随着曲柄初始位置的增大，曲柄转过相同角度时滑块伸出长度增大。

2结构设计
锁紧机构结构如图1所示，主要包括手动挡杆、玩着连杆、连杆、定位销、定位板片、
门碰、距离传感器等部件，其中手动档杆与弯折连杆固连为一体，定位板片固连在定位销上，随定位销上下移动，摇动档杆，实现定位销的伸出与收回。

设计定位槽固连在定位臂上，定
位槽随定位臂移动。

定位销与定位槽组合实现机械锁紧，定位板片与距离传感器组合实现电
气锁紧，当定位销伸出时，定位销插入定位槽内，实现机械锁紧，定位板片触发距离传感器，通过控制单元实现电机锁紧，当定位销收回时，锁紧解除。

图1锁紧机构示意图
弯折连杆与手动挡杆一体，手动挡杆绕转过的角度即为弯折连杆上曲柄转过的角度，
则门碰的位置决定了曲柄的初始位置及其摆动角度。

按照使用要求设计定位销的伸出长度，
设计弯折连杆上曲柄部分和连杆长度，计算定位销伸出长度随曲柄初始位置与其摇动角度的
关系，选择合适的曲柄初始位置及其摇动角度，逆向设计门碰位置和手动挡杆长度。

本装置机构简图实现过程如下：
（1）当机械臂处于未夹紧状态时，将该装置档杆旋转到右边限位，并由门碰装置将档
杆锁紧，定位销处于收回状态；当机械臂处于夹紧状态时，将档杆旋转至左边限位，由门碰
装置将档杆锁紧，定位销处于伸出状态并插入定位槽中进行机械锁紧。

（2）定位板片固定在定位销上并随定位销上下移动，当定位销处于伸出并锁紧状态时，距离传感器感应到板片位置并发射信号，通过控制单元实现电机自锁，此时传感器灯亮；当
定位销收回，距离传感器无感应信号，电机自锁解除，传感器灯灭。

对于不同的车轮，机械
臂夹紧时所处位置不同，由于定位槽固连在定位臂上，随定位臂移动。

为了适应不同车轮的
需求，根据实际车轮夹紧时机械臂位置，设计定位槽通孔位置以之与定位销相匹配。

设计锁
紧730车轮、860车轮、E27车轮、E28车轮的定位槽。

3设计优点
为消除机械臂夹取车轮过程中存在的安全隐患，从机械结构和自动化控制两个方面考虑
设计出一种新型锁紧机构，该机构存在以下优点：
（1）有效消除了安全隐患，实用性强。

该锁紧机构基于曲柄滑块机构原理，通过转动手柄实现将转动变为定位销的直线运动。

车轮夹紧以后，转动手柄，定位销伸出，进入定位槽内，实现了机械臂的锁紧，防止由于丝
杠螺母结构故障导致机械臂松开。

定位销伸出过程中，固定在定位销上的定位板片随之上升，进入到传感器感应范围内后，传感器发射信号进入控制单元，控制单元接收到信号后对丝杠
电机进行控制，实现电机的自锁，防止电机故障或者人员误操作导致机械臂松开。

本机构实
现了机械臂有效地锁紧，避免了可能存在的安全隐患。

该机构能有效解决机械臂安全隐患问题，具有很强的实用价值。

（2）机电结合，双重防护。

该锁紧机构不仅实现常规对机械臂的机械结构上锁紧，而且通过自动化控制的方式实现
电机的自锁，机械和电气两种锁紧方式共同保障机械臂在夹取工作中能够安全工作。

（3）操作简单，实用性强。

该锁紧机构操作简单，工作过程中平稳，固定在机械臂上，不受空间和人力的局限，省
时省力，1人即可完成操作。

该装置巧妙的利用了曲柄滑块机构，设计曲柄较长，操作时节
省人力，有效结合现场使用环境，节省使用空间，具有很强的实用性。

（4）人眼可有效识别
锁紧装置在操作过程中，不同车型车轮对应到不同的定位槽，当定位销插入到对应的定
位槽当中时，距离传感器灯亮，操作人员可以直观的判断机械臂是否正常锁紧，不同车轮对
应的锁紧定位槽是否准确。

4结论
本装置有效地消除了车轮机械臂工作过程中可能存在的安全隐患，且本装置巧妙地利用了曲柄滑块机构，兼顾到现场作业条件，节省了作业空间，节省人力物力，使用方便，外型小巧，1人即可完成操作。

本装置将机械锁紧与电机的自动化控制锁紧相结合，极大提高了安全防护能力，有效保障了员工的人身安全。

该装置作业过程中人眼可有效识别作业是否正常，具有很强的实用价值。

参考文献
[1] 王志伟.工业电气自动化及其在生产中的实践研究[J].电子技术与软件工程,2019(03):119.
[2] 孙恒.机械原理[M].第8版.北京:高等教育出版社,2013.。