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六面顶压机狭小空间自动上料机械手设计

张伟民;董博;饶建华;安凯

【摘要】为了解决六面顶压机上料空间狭窄、上料环境复杂导致的上料困难的难

题,设计一种平面操作机械手完成六面顶压机的上料作业.基于D-H参数法建立了机

械手的运动学模型并求得了运动学方程的正解,验证了运动学模型的正确性;利用几

何法求得了机械手运动学方程的逆解,为机械手运动控制提供了理论基础.使用

Solidworks建立了机械手的虚拟样机模型并对其进行了运动仿真,仿真结果验证了

机械手连杆参数设计的合理性.制作了物理样机并在六面顶压机上进行了实验,实验

结果进一步证明了机械手的结构设计是合理的.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2016(000)003

【总页数】4页(P228-231)

【关键词】人造金刚石;六面顶压机;上料;机械手;运动学分析;仿真;物理样机

【作者】张伟民;董博;饶建华;安凯

【作者单位】中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质

大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子

信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉

430074

【正文语种】中文

【中图分类】TH16;TP241

人造金刚石是通过对原料（以下简称合成块）进行高温高压合成的。目前国内用于

合成人造金刚石的主要工具是铰链式六面顶压机，合成作业在六面顶压机的压腔中

完成。六面顶压机的压腔是由六个顶锤形成的，位于六面顶压机的中心，上料时只

能利用顶锤之间的空隙空间进行上料，这使得合成块的上料操作变得困难。另外，

压机的六个顶锤彼此之间空隙十分狭窄，又是在压机内部作业，上料环境复杂，一

般的工业用机械手无法胜任六面顶压机合成块的自动上料操作，这也是六面顶压机

的上料自动化一直没有实现的一个重要原因。目前国内的工厂基本都是使用人工上

料。但是，以缸径φ730mm的压机为例，压腔到铰链梁底部的直线距离达到了

133cm，工人上料时需要将整个上半身探入压机内部才能完成，上料过程难度和

劳动强度大，效率低下且安全隐患巨大，导致企业面临严重的用工问题。所以设计

一种能够取代人工上料，并且能够在六面顶压机的机体内狭窄的上料空间内进行作

业的自动上料机械手，是实现人造金刚石合成工作高度自动化的关键一环，是企业

安全生产和摆脱用工问题要做的重要工作[1-2]。

2.1机械手运动方案设计

对机械手而言，自由度越多，灵活性越好，但是会增加机构的复杂性和控制难度。

前文中提到过，六面顶压机的上料自动化面临的最大的困难是上料空间狭小、上料

环境复杂的问题，所以针对六面顶压机上料作业所设计的机械手，自由度不宜过多，

在保证机械手的上料能力的情况下，尽量做到结构紧凑，外形尺寸小。

机械手的上料工作空间是动锤移开时动锤彼此之间的空隙空间。因为六面顶压机的

结构限制，动锤移开之后彼此之间的空隙宽度只有不到12cm。机械手的手臂结构

形式取决于机械手的活动范围、灵活性、位置精度、负荷能力和控制难易度等因素

和要求。针对本机械手的设计，最重要的考虑因素就是机械手的活动范围。在宽度

不到12cm的狭窄空间进行作业，多维操作机械手显然是不太合适的。

一般的机械手手臂由转动副R和移动副P构成，当转动副R的轴线彼此平行或者

转动副R的轴线与移动副P的运动方向垂直时，机械手的工作空间为一平面，这

种机械手我们称为平面操作机械手。这种机械手灵活性比较差，但是因为其在一个

平面内活动，对工作空间的要求低，符合机械手的设计原则。

综上所述，设计一种二连杆RP型平面操作机械手来完成六面顶压机的上料工作。

机械手共有2个自由度，2个关节。第一关节为转动关节，第二关节为移动关节，

机械手机构简图，如图1所示。

2.2执行器的结构设计

机械手的执行器是设计的重点之一。六面顶压机的压腔是由三个定锤面和三个动锤

面形成的空间。上料时，三个动锤移开，三个定锤面固定不动，三个彼此垂直的锤

面确定了合成块在被送入压腔时的位姿。合成块在被运送到压腔的过程中姿态，如

图2所示。

为了让合成块在被运送的过程中保持的姿态，如图2所示。又不添加额外的夹紧

装置以免对机械手增加自由度负担，将机械手末端的执行器设计成V型卡爪，以

配合上料过程中的合成块姿态，如图3所示。

机械手运动学主要研究两个问题，一个是求运动学方程的正解：根据给定的机械手

连杆几何参数