蔡玉強(qiáng)，朱東升

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000 )

0 引言

稀土元素被稱為“工業(yè)的維生素”，具有無(wú)法比擬的磁、光、電性能。目前，稀土元素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于冶金、軍事、石油化工、玻璃陶瓷、農(nóng)業(yè)和新材料等領(lǐng)域。稀土元素的制備方法一般有兩種：金屬熱還原法和熔鹽電解法。熔鹽電解法制備的稀土金屬鑄錠為梯形體，表面有一層氧化層和雜質(zhì)，在密封包裝或使用前需對(duì)梯形體鑄錠的六個(gè)面進(jìn)行打磨拋光，除去表面的氧化層和雜質(zhì)。目前，金屬鑄錠采用傳統(tǒng)人工打磨方式，人工打磨不僅效率低、難以保證打磨均勻性，并且打磨產(chǎn)生的金屬粉塵對(duì)人的身體傷害極大[1-3]。故根據(jù)廠家需求設(shè)計(jì)了一套稀土金屬鑄錠自動(dòng)打磨平臺(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)由自動(dòng)打磨變位平臺(tái)和六軸工業(yè)機(jī)器人組成。其中自動(dòng)打磨變位平臺(tái)主要包括行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)[4]。六軸工業(yè)機(jī)器人的末端安裝有浮動(dòng)式主軸和打磨輪對(duì)鑄錠表面進(jìn)行打磨[5-6]。利用Creo軟件對(duì)自動(dòng)打磨變位平臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移曲線和運(yùn)動(dòng)所需的輸出扭矩曲線，得出了伺服系統(tǒng)所需的輸出扭矩[7-8]。

1 自動(dòng)打磨平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

稀土金屬鑄錠為梯形體，需要對(duì)六個(gè)面進(jìn)行打磨。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打磨，需要變位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鑄錠的自動(dòng)夾緊、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料、出料功能。自動(dòng)打磨平臺(tái)整體方案如圖1所示。

行走機(jī)構(gòu)主要由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，將鑄錠由取料位送至打磨位，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用4分度站的旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)實(shí)現(xiàn)側(cè)面的旋轉(zhuǎn)變位。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成上下面的變位和下面打磨定位及卸料。

2 稀土鑄錠自動(dòng)打磨平臺(tái)系統(tǒng)

2.1 稀土鑄錠自動(dòng)打磨平臺(tái)

圖2為稀土鑄錠自動(dòng)打磨平臺(tái)系統(tǒng)。平臺(tái)支架的尺寸為2 130×910×1 370(mm)，六軸機(jī)器人的最大臂展為901 mm。浮動(dòng)式氣動(dòng)主軸的最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，浮動(dòng)力為135 N。為了避免出現(xiàn)打磨量過(guò)多或打磨不到的情況，取料行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需要較高的控制精度，故各部分的驅(qū)動(dòng)均采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用THK高精度直線導(dǎo)軌導(dǎo)向。其中，行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)采用的是齒輪齒條，升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠的形式。升降機(jī)構(gòu)中有氣動(dòng)擺臺(tái)，可使升降機(jī)構(gòu)的定位平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)150°，完成鑄錠打磨成品的卸料。六軸工業(yè)機(jī)器人的末端為浮動(dòng)式氣動(dòng)主軸，可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)順從式打磨，從而更好地控制打磨量。

圖1 打磨平臺(tái)總體方案框圖

2.2 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

圖3為翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)采用高精度氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)驅(qū)動(dòng)，鑄錠的夾緊定位采用2個(gè)寬闊氣爪實(shí)現(xiàn)。由于打磨時(shí)的工作環(huán)境非常惡劣，會(huì)產(chǎn)生大量火花和粉塵，因此氣動(dòng)分度臺(tái)和寬闊氣爪分別利用旋轉(zhuǎn)密封圈和防塵伸縮罩實(shí)現(xiàn)防塵密封。

2.3 自動(dòng)打磨平臺(tái)工作流程

取料位和打磨位均采用高精度的光電傳感器進(jìn)行定位，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上裝有壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè)金屬鑄錠。自動(dòng)打磨平臺(tái)的工作流程如圖4所示，其中，取料位和打磨位如圖2所示，圖2中行走機(jī)構(gòu)3所在位置為打磨位。

1-平臺(tái)支架；2-取料位；3-行走機(jī)構(gòu)；4-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；5-浮動(dòng)式氣動(dòng)主軸；6-六軸機(jī)器人；7-卸料導(dǎo)向板；8-升降平臺(tái)

1-翻轉(zhuǎn)軸;2-夾緊氣爪;3-稀土鑄錠;4-防塵伸縮罩;5-旋轉(zhuǎn)密封圈;6-旋轉(zhuǎn)平臺(tái);7-翻轉(zhuǎn)平臺(tái)

圖4 自動(dòng)打磨平臺(tái)工作流程框圖

3 自動(dòng)打磨平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模式

根據(jù)自動(dòng)打磨平臺(tái)的工藝流程和運(yùn)動(dòng)要求，在Creo軟件中設(shè)置行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)運(yùn)行模式，并得出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度曲線，如圖5所示。

圖5中，行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大速度為156 mm/s，加速時(shí)間為2 s;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大速度為30°/s，加速時(shí)間為1 s；升降機(jī)構(gòu)上升的最大距離為400 mm，加速時(shí)間為2 s。

3.2 機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩計(jì)算

行走機(jī)構(gòu)總質(zhì)量為m1=130 kg(包括了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))，直線軌道的摩擦因數(shù)μ=0.004。根據(jù)牛頓第二定律可得行走機(jī)構(gòu)的總負(fù)載為：

F1=m1(a1+gsinθ1+μgcosθ1)+S1.

(1)

其中：a1為行走機(jī)構(gòu)的加速度；θ1為移動(dòng)方向與水平軸夾角；S1為行走直線導(dǎo)軌滑塊刮油片的阻力。

圖5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度曲線

齒輪齒條的傳動(dòng)效率為95%，齒輪的模數(shù)m=1 mm，齒數(shù)z=30。伺服電機(jī)需要輸出的扭矩為：

(2)

其中：D為齒輪的分度圓直徑,D=mz；η1為齒輪齒條傳動(dòng)效率。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總質(zhì)量為m2=70 kg(包括了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)平臺(tái))，由伺服電機(jī)配精密行星減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。根據(jù)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(3)

其中：h為翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的高度；w為翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的寬度。

翻轉(zhuǎn)平臺(tái)減速機(jī)需要輸出的扭矩為：

(4)

其中：a為翻轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度。

升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，絲桿的導(dǎo)程PB=5 mm，直徑為20 mm，行程為400 mm，傳動(dòng)效率為90%。升降平臺(tái)的總質(zhì)量為m3=82 kg，總負(fù)載為：

(5)

其中：a3為升降機(jī)構(gòu)的加速度；θ3為升降方向與水平軸夾角；S3為升降直線導(dǎo)軌滑塊刮油片的阻力。

升降伺服電機(jī)需要輸出的扭矩為：

(6)

其中：η3為絲桿傳動(dòng)效率。

3.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在Creo軟件→應(yīng)用程序→機(jī)構(gòu)模塊中，對(duì)行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸添加伺服電動(dòng)機(jī)，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律定義伺服電機(jī)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位移曲線

圖6為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移曲線，正負(fù)表示方向。行走機(jī)構(gòu)的最大位移為1 188 mm，取料過(guò)程和送料過(guò)程的總時(shí)間為20 s。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為14 s。升降機(jī)構(gòu)的最大位移為400 mm，上升過(guò)程和下降過(guò)程的總時(shí)間為8 s。

圖7為行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩，正負(fù)表示方向。其中，行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩分為送料過(guò)程和取料過(guò)程兩部分，加速啟動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)所需的最大扭矩為0.28 N·m，加速時(shí)間為2 s。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩分為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，加速啟動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)所需的最大扭矩為1 N·m，加速時(shí)間為1 s。升降機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩分為上升過(guò)程和下降過(guò)程兩部分，加速啟動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)所需的最大扭矩為5.8 N·m，加速時(shí)間為2 s。

圖7 機(jī)構(gòu)負(fù)載扭矩曲線

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一套稀土金屬鑄錠自動(dòng)打磨平臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鑄錠的自動(dòng)夾緊、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料、出料功能，提高了稀土金屬鑄錠的表面打磨質(zhì)量和生產(chǎn)效率，改善了工人的工作環(huán)境。

(2) 對(duì)設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度曲線在Creo軟件中添加并定義了伺服電動(dòng)機(jī)；對(duì)每個(gè)機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行了仿真分析，得到了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線，為系統(tǒng)的控制程序參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考，并為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊斌清,張賢平.世界稀土生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析[J].稀土,2014,35(1):100-117.

[2] 程建忠，車(chē)麗萍.中國(guó)稀土資源開(kāi)采現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].稀土,2010,31(2):65-69.

[3] 王祥生,王志強(qiáng),陳德宏,等.稀土金屬制備技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀[J].稀土,2015,36(5):123-130.

[4] 景陶敬,沈輝,楊超,等.基于某款賽車(chē)鋼管桁架式車(chē)架的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2017(5):60-62.

[5] 張晉.大型壓力容器打磨工藝及爬壁打磨機(jī)器人研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2015：11-13.

[6] 鄧華健,趙汝海.基于離線編程的機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2017(5):52-54.

[7] 武占元,杜志龍.基于Creo的單滾筒干燥機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)仿真與分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2016,40(10):139-142.

[8] 申軍偉.基于Creo的注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2016,29(2):20-22.