李志剛，張文亮

（華東交通大學(xué) 載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌 330013 ）

0 引言

塑料加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，注塑成型設(shè)備的自動化程度也越來越高?，F(xiàn)代化的注塑機常常配置有機械手，以提高生產(chǎn)效率。注塑機械手是為注塑生產(chǎn)自動化專門配備的機械，它可以在減輕繁重的體力勞動、改善勞動條件、降低生產(chǎn)成本、增強企業(yè)的競爭力等方面起到及其重要的作用[1]。

在實際工作過程中，注塑機械手在低頻率下會產(chǎn)生劇烈的振動，影響機械手的工作可靠性，容易產(chǎn)生因機械手的誤操作而使被取件報廢等事故。因此，降低機械手的低頻振動對提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有著極其重要的作用[2]。本文在分析某機械手的取件工作過程特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合其本身的結(jié)構(gòu)特點，改善機械手的動力特性，以提高注塑機械手的取件定位精度。

1 機械手模型

機械手的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建模時對于箱體蓋、線路托板、氣缸、緩沖器等對模型動力學(xué)分析影響不大的部件均忽略掉，以減少有限元模型的規(guī)模，僅將其質(zhì)量折算到相應(yīng)位置[3]。首先利用三維軟件設(shè)計出機械手模型，如圖1所示，該機械手模型主要由以下幾部分組成：基座、主臂梁、箱體、副臂梁等。

在ANSYS中，solid45單元用于構(gòu)造三維實體結(jié)構(gòu)。單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x, y, z方向平移的自由度，單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強化，大變形和大應(yīng)變能力。所以注塑機械手模型采用ansys-solid45單元，將模型劃分為57502個單元格。

1.1 機械手靜力特性分析

靜力分析是不考慮慣性和阻尼影響，用來計算結(jié)構(gòu)受到固定不變載荷作用的應(yīng)力、應(yīng)變大小的。機械手運動到各軸最大位移處，機械手的應(yīng)力和應(yīng)變最大。在機械手簡化模型副臂梁的側(cè)部施加豎直向下的100牛頓的力，模擬機械手的實際工作狀況[3]。

圖1 機械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 機械手應(yīng)變云圖

圖3 機械手應(yīng)力云圖

圖2和圖3分析云圖可見，機械手的副臂梁前端節(jié)點處的最大值為0.002mm，位移值較小。副臂梁與主臂梁前端連接部位的應(yīng)力值最大為0.193MPa，機械手應(yīng)力值不大，可以滿足實際生產(chǎn)的要求。

1.2 機械手振動模態(tài)分析計算

典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題：

其中：[k]為剛度矩陣；{i}為第i階模態(tài)的振型向量(特征向量)；i為第i階模態(tài)的固有頻率（是特征值）；[M]為質(zhì)量矩陣。

有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程，本文采用的是子空間(Subspace)法。子空間法使用子空間迭代技術(shù)，對計算機的內(nèi)存要求低，計算精度很高，適用于大型特征值的求解問題。

現(xiàn)對樣機進行振動模態(tài)分析，以確定機械手機械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，機械手一般工作的頻率在0-660HZ之間，屬于低階頻率。因此在對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析時，重點考慮機械手系統(tǒng)的在此范圍內(nèi)的振型，對低階頻率進行分析，在分析中給出了前四階振型圖。

由模態(tài)分析的結(jié)果如圖4所示可知，機械手的副臂梁、手臂從動梁前端節(jié)點處的位移較大。最大值為頻率為330HZ時，副臂梁的最大振幅達到0.134mm，共振現(xiàn)象明顯，在此頻率下會影響到機械手工作過程中取移制品的精確度。

1.3 機械手瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)動力學(xué)分析的求解的基本方程是：

其中：[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{u}為節(jié)點位移向量。ANSYS程序使用Newmark時間積分方法在離散的時間點上求解這些方程。

本文對機械手在工作過程進行有限元仿真分析計算，得到了機械手在各種工況時的動力學(xué)響應(yīng)曲線。在副臂梁位移的最大處選取一點觀察這一點在X方向（圖5）和在Y方向（圖6）位移隨頻率變化曲線。

可以看出在振動頻率為550HZ時，副臂梁位移最大點在X方向的最大位移為0.026mm，在Y方向振動頻率為440HZ時0.019mm。

圖4 機械手模態(tài)分析結(jié)果圖

圖5 X方向位移隨頻率變化曲線

圖6 Y方向位移隨頻率變化曲線

由此可以得出，機械手在承受靜力載荷和低頻振動的情況下位移值較大，需要改進以降低副臂梁在低頻振動時的最大位移。本文中在對機械手優(yōu)化過程中，對副臂梁進行重新設(shè)計，目的是提高機械手的整體機械性能。

2 優(yōu)化后的機械手進行分析

將機械手引拔梁的結(jié)構(gòu)改進，如圖7所示。優(yōu)化后的機械手，將氣壓缸的氣動部件改裝到側(cè)面，氣壓缸氣動部件通過副臂梁也有之前的雙排的改為單側(cè)，并將單側(cè)的副臂梁裝在氣壓缸的氣動部件上可以按工作要求移動，滿足機械手的移動行程。

圖7 改進后的機械手結(jié)構(gòu)示意圖

通常，注塑機取模機械手的最大抓重是2千克(包括夾具重量）[6]。由于氣壓缸的氣動部件改裝到側(cè)面并直接和主臂梁接觸，所以大大的減輕了副臂梁上的壓力。經(jīng)計算電磁閥箱、防落氣缸安裝板、引拔氣缸固定板、型材、氣缸等一些氣壓缸氣動部件占總重量的80%-83%之間， 針對改進后機械手實際工作狀況，將機械手運動到各軸最大位移處在機械手簡化模型的側(cè)部施加豎直向下的20牛頓的力，模擬機械手的工作狀況[7,8]。

如圖8所示，機械手的副臂梁、手臂從動梁前端節(jié)點處的位移較大。最大值為頻率為440HZ時，副臂梁的最大位移達到0.027mm。

在副臂梁位移的最大處選取一點觀察這一點在X方向（圖9）和在Y方向（圖10）隨頻率變化的位移圖?？梢钥闯鲈谡駝宇l率為110HZ時，副臂梁位移最大點在X方向的最大位移為0.010mm，在Y方向振動頻率為440HZ時0.003mm。

3 結(jié)論

圖8 改進后的機械手模態(tài)分析結(jié)果圖

圖9 X方向位移隨頻率變化圖

圖10 Y方向位移隨頻率變化圖

針對某注塑機械手建立有限元模型，分析可以得出機械在抓取制品時振動大，定位不準(zhǔn)確，精確度不高。經(jīng)諧響應(yīng)分析證明原機械手模型前副臂下端的X、Y兩個方向個自由度方向振幅最大分別可以達到0.026mm、0.019mm。改進以后，兩個自由度方向的振幅有較大下降，此時的振幅最大值分別為0.010mm和0.003mm，取得了很好的減振效果，尤其在豎直方向（Y方向）降低了一個數(shù)量級，這對提高機械手的工作精度和可靠性是十分有利的。同時改進后的結(jié)構(gòu)可以增加周邊的自由空間，達到了節(jié)約材料用量，控制成本的目標(biāo)。

[1] 余達太, 等. 工業(yè)機器人應(yīng)用工程[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999.

[2] 張鐵, 謝存禧. 機器人學(xué)[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社. 2001.

[3] 周俊榮, 王龍. 基于注塑機的三伺服機械手的研究與發(fā)展[D]. 江門: 五邑大學(xué), 2009.

[4] 陸建輝, 李豐亭. 基于MTMD的某注塑機械手振動控制研究[J]. 現(xiàn)代制造工程.2007, (12): 113-115.

[5] 吳振彪. 工業(yè)機器人[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社,1997.

[6] 朱洪濤, 萬志強. 注塑機機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 南昌:南昌大學(xué), 2007.

[7] UNECE, IFR. World Robotics 2005-Statistics, Market Analysis, Forecasts, Case Studies and Profitability of Robot Investment [M].Bethesda, Md. Lexis .Nexis, 2005.

[8] Klas Nilsson.Integrated Architecture for Industrial Robot Programming and control[J]. Robotics and Autonomous Systems, 1999, 29: 205-226.