劉洋 邢建國

摘要： 為提高企業(yè)車間沖床的生產(chǎn)效率，本文設(shè)計了一種薄板件沖壓自動上下料機械手。采用絲杠與滑臺相結(jié)合的方式設(shè)計傳動機構(gòu)，并在滑軌上設(shè)置擋塊，防止機械手由于程序或者電機故障破壞滑臺。機械手的手部采用真空吸盤設(shè)計，并且吸盤的位置可根據(jù)工件的大小進行調(diào)節(jié)。同時，采用PRO/E軟件對機械手建模，并結(jié)合有關(guān)有限元知識理論，利用ANSYS Workbench中Static Structual模塊和Modal模塊對手部端拾器組件進行靜力學(xué)和模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，端拾器組件的設(shè)計滿足強度使用要求，而應(yīng)力和應(yīng)變均變化很小，滿足強度設(shè)計要求，各階振型和頻率為整個機械手的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。該研究具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 機械手； ANSYS Workbench； 靜力學(xué)分析； 模態(tài)分析

中圖分類號： TH242； TP241.2文獻標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20170316； 修回日期： 20170825

作者簡介： 劉洋（1988），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程。

通訊作者： 邢建國（1964），男，博士，教授，主要研究方向為數(shù)控技術(shù)和CIMS。Email： xing_jg@163.com沖壓成型是機械加工中常用的成型方式，具有生產(chǎn)效率高、加工速度快、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、儀表、包裝等行業(yè)[1]。目前，國內(nèi)大部分中小沖床生產(chǎn)線都是采用人工上下料，不僅效率低，勞動強度大，而且經(jīng)常發(fā)生人員傷亡事故。隨著機械制造技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工上下料方式已不能滿足生產(chǎn)需要，在沖壓生產(chǎn)線上，加入機械手取代傳統(tǒng)的人工上下料模式已成為沖壓成型技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。設(shè)計研發(fā)自動化上下料的裝置，既可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，也可以減少企業(yè)成本和傷亡事故，提高企業(yè)綜合競爭力[3]。近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對自動化上下料裝置的研究較多。魏春雨等人[4]設(shè)計了一種三個自由度的機床上下料機械手，并對機械手的運動路徑進行規(guī)劃及動態(tài)仿真，為機械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了完備的理論數(shù)據(jù)；王佳麗[5]設(shè)計了一種專用于手機外殼生產(chǎn)的自動上下料機械手；鄭為湊等人[6]設(shè)計了一種針對流水線的新型搬運機械手，實驗數(shù)據(jù)表明，新型的搬運機械手可滿足流水線的需求?；诖?，針對當(dāng)前中小企業(yè)沖床生產(chǎn)線存在的問題，本文設(shè)計了一種沖床自動上下料機械手裝置，對手部端拾器的吸盤和真空發(fā)生器進行了選型和計算，并利用ANSYS Workbench軟件對端拾器組件進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，該機械手手部端拾器結(jié)構(gòu)滿足強度要求。該研究為整個機械手的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1沖床自動上下料機械手總體布局方案設(shè)計

沖床的沖壓模具質(zhì)量通常較大，對沖壓簡單的零部件，單個模具就能完成，而對于沖壓復(fù)雜的零部件，單憑一臺沖壓機床，通過更換模具的方式很難達到?jīng)_壓效果，不僅費時費力，而且生產(chǎn)效率低。因此，本文通過設(shè)計機械手與沖床相互配合的自動化生產(chǎn)線達到?jīng)_壓效果。自動上下料機械手與沖床位置關(guān)系如圖1所示。

圖1自動上下料機械手與沖床位置關(guān)系自動上下料機械手搬運的加工工件為薄板件，板材厚度為1～3 mm，最大搬運質(zhì)量為6 kg，上下料具體流程為：機械手收到操作信號后，手臂旋轉(zhuǎn)，手部靠近未加工物料存放區(qū)并吸取板材，然后手臂升高，小臂伸縮，手部旋轉(zhuǎn)，調(diào)整與沖床的位置關(guān)系，將板材放入沖床的模具型腔內(nèi)，機械手回到原點，待板材沖壓完畢后，機械手再將板材吸取，放入已加工物料存放區(qū)，或者下一臺沖床。至此，上下料流程完畢，周而復(fù)始。

圖2沖床自動上下料機械手根據(jù)沖床自動上下料機械手與沖床的位置關(guān)系及上下料流程，機械手選用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，并具有4個自由度：2個轉(zhuǎn)動自由度和2個移動自由度。

2機械手總體設(shè)計與關(guān)鍵部件選型計算

沖床自動上下料機械手如圖2所示。機械手主要包括底座、腰部升降組件、機械手手臂組件和手部端拾器等部件。由圖2可以看出，機械手的升降主要通過腰部移動滑臺對滑軌的相對移動實現(xiàn)腰部的上下移動；機械手手臂的伸縮通過小臂對大臂的相對移動來實現(xiàn)；機械手手臂的回轉(zhuǎn)主要是通過腰部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實現(xiàn)；機械手手部的回轉(zhuǎn)主要是小臂的電機帶動減速器，通過同步帶帶動旋轉(zhuǎn)。這幾個組件共同作用，實現(xiàn)了整個機械手在空間內(nèi)的一系列動作，從而使機械手手部端拾器能夠精確的吸取零部件，并將其放到確定位置。

2.1機械手手部端拾器結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手抓取的物料為正方形或長方形薄板件，表面光滑，無異物，因此，在機械手上下料時采用真空吸盤進行吸取，物料最大規(guī)格為600 mm×400 mm×3 mm，質(zhì)量為5652 kg。為方便設(shè)計，此處質(zhì)量取6 kg，重力為60 N。根據(jù)物料的最大規(guī)格進行手部端拾器的設(shè)計及計算選型。機械手手部吸盤端拾器吸附板材工作示意圖如

2.2真空吸盤的選型與計算

因物料重力為60 N，根據(jù)吸附力大于重力，求吸盤直徑為[710]

D=4Wn314PT×1 000（1）

式中，P為真空壓力，其值一般取真空發(fā)生器最大真空度Pv的75%～95%，此處取85%，則P=85%Pv=85%×92 kPa=782 kPa；W為物料重力，此處取60 N；n為吸盤個數(shù)，取4個；T為安全系數(shù)，一般取4～6，此處取6。經(jīng)過計算得吸盤直徑D=298 mm，因此，本文選用上海浮來迪自動化有限公司生產(chǎn)的PF系列真空吸盤，規(guī)格型號為PFTK30，直徑為30 mm。

2.3真空發(fā)生器的選型與計算

以PF系列的真空發(fā)生器為設(shè)計樣本，吸盤最大真空度為Pv=92 kPa，高壓空氣被吸入時的平均流量為

Q=09×60VT（2）

式中，V表示真空發(fā)生器與吸盤連接的管道容積；T表示時間，T=1 s。

選用內(nèi)徑為8 mm，長度為05 m的吸盤軟管，兩個吸盤共用一個真空發(fā)生器，其體積為

V=314r2l4 000=314×82×054 000=0025 L（3）

因此，平均流量為

Q=09×60 VT=09×60×00251=135 L/min（4）

則最大流量為

Qe=3Q=3×135=405 L/min（5）

根據(jù)氣體的最大吸入量，選用臺灣BOKA生產(chǎn)的CV系列噴射式真空發(fā)生器，型號為CV.10.HS，噴嘴直徑為10 mm，空氣吸入量為27 L/min，空氣消耗量44 L/min。

3機械手手部端拾器靜力學(xué)分析

由于機械手手部端拾器是整個機械手最關(guān)鍵的零部件，因此對端拾器進行靜力學(xué)分析，分析應(yīng)力、應(yīng)變，有助于進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)[1112]。利用ANSYS workbench中的Static Structual模塊對機械手手部端拾器進行靜力學(xué)分析。

圖4機械手手部端拾器有限元網(wǎng)格劃分模型首先對模型進行簡化，對整體結(jié)構(gòu)影響不大的倒角、圓角、螺栓孔等忽略，然后將PRO/E修改好的模型保存為igs格式，最后將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，構(gòu)建有限元模型，除吸盤材料選用橡膠外，其余部件材料選用Stainless Steel，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=03，密度ρ=785×103kg/m3，采用自由網(wǎng)格劃分，共含有18 045個節(jié)點和9 514個單元。機械手手部端拾器有限元網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

端拾器組件與機械手手部末端的圓面采用固定連接，外部載荷在每個吸盤的末端加載15 N的力，共計60 N，另外整體施加重力加速度98 m/s2，方向豎直向下。所有的力和約束設(shè)置完成后，選擇Slove求解，得到的應(yīng)力及應(yīng)變云圖如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出，最大應(yīng)力為5 MPa，發(fā)生在端拾器支架與機械手手部連接塊的端部，遠遠小于不銹鋼的抗拉強度；最大位移也發(fā)生在端拾器支架與機械手手部連接塊的端部，最大位移量為299×10-5mm，位移量對整個結(jié)果幾乎無影響。由上述可知，端拾器組件的設(shè)計滿足強度使用要求。

4機械手手部端拾器模態(tài)分析

手部端拾器作為直接與板材接觸的重要部件，如果發(fā)生共振，將會對機械手的性能產(chǎn)生重大影響，因此，模態(tài)分析在機械設(shè)計中具有重要作用。利用ANSYS Workbench中的Modal模塊對端拾器組件進行模態(tài)分析，理論分析表明，低階頻率振型易產(chǎn)生安全隱患[13]。對產(chǎn)品進行模態(tài)振動分析是新產(chǎn)品研制中不可缺少的重要步驟[1415]。因此，只對端拾器組件前6階進行模態(tài)分析。手部端拾器第1階到第6階的固有頻率和固有振型如圖7所示。

圖7手部端拾器第1階到第6階的固有頻率和固有振型固有頻率和振型是機械結(jié)構(gòu)的固有特征，而低階固有頻率，尤其是第1階固有頻率決定了結(jié)構(gòu)的剛度，第1階固有頻率越高，模態(tài)剛度越好[1617]。端拾器組件前6階模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，通過模態(tài)分析可以求得零部件的固有振型和固有頻率，在進行電機選型時，要盡量避開零部件的低階頻率，以免發(fā)生共振[1820]。

5結(jié)束語

本文主要設(shè)計和分析了薄板件沖壓自動上下料機械手，該設(shè)計具有一定的應(yīng)用前景。該設(shè)計給出了三維裝配圖，并對手部端拾器的吸盤和真空發(fā)生器進行了選型和計算，利用ANSYS Workbench對機械手關(guān)鍵零部件手部端拾器進行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到了手部端拾器應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，從應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出，應(yīng)力和應(yīng)變都很小，滿足設(shè)計要求。通過模態(tài)分析，得到了手部端拾器的前6階固有振型。該研究為整個機械手的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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