劉薇娜，吳 迪

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的研究

劉薇娜，吳 迪

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

目前該生產(chǎn)線的物料搬運(yùn)為人工搬運(yùn)，效率低、耗時(shí)耗力，本文依據(jù)該生產(chǎn)線的實(shí)際情況研究了一種生產(chǎn)線半自動化搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，對整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對其軌跡進(jìn)行了計(jì)算，對整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行ANSYS受力分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

搬運(yùn)機(jī)構(gòu);軌跡;ANSYS;半自動

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展和市場競爭的要求，對現(xiàn)在制造工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率的要求越來越高?，F(xiàn)在大部分的機(jī)械制造設(shè)備的生產(chǎn)效率都已近很高了，而且工藝也極盡完善，完成一個(gè)加工工序可能只需要幾秒或幾十秒的時(shí)間，但加工所需的集料和裝卡等環(huán)節(jié)，則因?yàn)槿斯ど舷铝系臅r(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其設(shè)備加工時(shí)間，直接降低了生產(chǎn)設(shè)備的有效生產(chǎn)效率。因此在生產(chǎn)現(xiàn)場搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化成為一個(gè)工廠提高生產(chǎn)效率、降低綜合成本的一個(gè)必然選擇［4］。

目前生產(chǎn)線上搬運(yùn)機(jī)構(gòu)普遍呈現(xiàn)兩種狀態(tài)一種是完全由人工搬運(yùn)，全人工作業(yè)存在作業(yè)周期長、工作效率低、費(fèi)用高等問題。另一種是用搬運(yùn)機(jī)械手，目前機(jī)械手大多采用氣缸或液壓缸結(jié)構(gòu)，占地空間大，維修困難，維修成本高，對于中、小企業(yè)也不適合應(yīng)用。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種半自動搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，既降低了工人的勞動強(qiáng)度，又能達(dá)到自動搬運(yùn)的效果，該機(jī)構(gòu)成本低、效率高，操作簡單，若依據(jù)其原理對其進(jìn)行改進(jìn)可放置在各種不同的生產(chǎn)線或流水線中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

整個(gè)機(jī)構(gòu)通過人工裝卡夾緊之后用伺服電機(jī)驅(qū)動搬運(yùn)工件到下一個(gè)工作臺。圖1為搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的一個(gè)夾緊部分，整個(gè)機(jī)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，此搬運(yùn)機(jī)構(gòu)通過對連桿機(jī)構(gòu)的演變而設(shè)計(jì)，通過扳手帶動擺桿作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部分，再經(jīng)過幾個(gè)連桿連接到夾頭，由夾頭完成夾緊運(yùn)動。工件的一面為平面夾緊時(shí)底座的底面與工件的平面重合，由兩端夾頭夾住工件。機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2所示。

其中圖2中的各部分構(gòu)件為:1.扳手;2.擺桿;3.連桿1;4.連桿2;5.限位銷釘;6.連桿3;7.連桿4;8.支撐座;9.限位銷釘;10.夾頭;11.固定板;12.底座。

要想完成夾緊運(yùn)動，夾頭的運(yùn)動軌跡是至關(guān)重要的，而夾頭的軌跡是由連桿4決定的，因此只要對連桿4進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)就能達(dá)到預(yù)期的夾頭軌跡。本文設(shè)計(jì)的銷釘2和支撐座底面的距離L一定，連桿4的寬度與L相同，故連桿4只能有繞著銷釘2旋轉(zhuǎn)以及沿著支撐座底面的上下運(yùn)動。因此夾頭的夾緊運(yùn)動分為兩步，第一、繞銷釘2旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，第二、沿著支撐座底面豎直向上移動到工件位置完成夾緊。當(dāng)夾緊完成之后由控制器控制電機(jī)驅(qū)動搬運(yùn)機(jī)構(gòu)到下一工作臺。

考慮到夾頭為易損部件，若長時(shí)間使用必然會產(chǎn)生磨損使夾緊不牢，若直接更換夾頭則成本較高，因此夾頭與工件接觸部分采用了易于更換的螺釘。

圖2 工作原理圖

2 運(yùn)動軌跡的計(jì)算

2.1 自由度的計(jì)算

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是其原動件數(shù)等于其所有的自由度數(shù)，因此自由度的計(jì)算對于機(jī)構(gòu)的合理性判斷至關(guān)重要。在進(jìn)行自由度計(jì)算之前，要繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，這樣可以將與構(gòu)件的外形、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)及固連方式等無關(guān)因素去除，方便分析。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡如圖3所示。

此機(jī)構(gòu)中有6個(gè)低副和兩個(gè)高副，自由度計(jì)算公式為

其中PL為低副，PH為高副，從而由公式1得出此機(jī)構(gòu)自由度為:

圖3 運(yùn)動簡圖

2.2 夾頭的軌跡計(jì)算

軌跡計(jì)算是確定一點(diǎn)運(yùn)動的常用方法，通過計(jì)算可以知道該點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，從而進(jìn)行分析并進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)就是采用軌跡計(jì)算方法來確定夾頭的運(yùn)動的，本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的簡化示意圖如圖4所示。圖示初始狀態(tài)為松弛狀態(tài)，要想確定夾頭運(yùn)動軌跡只需確定(x1，y1)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。

而(x2，y2)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是固定的，由連桿4決定，其軌跡方程為:

初始位置(手柄豎直狀態(tài))x1=40.5，y1=53，可由以上方程聯(lián)立得x2=10，y2=93.5。

L1、L2、L3、L4構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，由

圖4 軌跡計(jì)算示意圖

得當(dāng)L1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動90°(即手柄由豎直轉(zhuǎn)為水平)時(shí)L3的轉(zhuǎn)角為120°由此可確定x1=10，y1=27，由公式3-1可得x2=14.5，y2=77.5，由(x2，y2)的軌跡方程可知其運(yùn)動軌跡為先沿銷釘2轉(zhuǎn)32°再向上移動10mm，達(dá)到了預(yù)期的軌跡。

3 受力分析

ANSYS是目前比較通用的有限元分析軟件，通過ANSYS的受力分析我們可以直觀的看出整個(gè)機(jī)構(gòu)的變形，從而判斷機(jī)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)要求。

在本設(shè)計(jì)中夾頭部分受力最大，而且所受載荷為靜載荷，因此對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，受力分析變形結(jié)果如圖5，從圖中可以看出整個(gè)機(jī)構(gòu)在夾頭部分變形最大，變形量為7.5303e-6，其變形很小，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

根據(jù)生產(chǎn)線具體的搬運(yùn)要求，以上設(shè)計(jì)了一種半自動化搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，并對其夾緊部分的軌跡進(jìn)行計(jì)算，對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了ANSYS分析。

經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)證明:該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，使用方便，適合生產(chǎn)線的流水作業(yè)，符合設(shè)計(jì)要求，為類似機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

圖5 受力分析變形圖

［1］孫桓.機(jī)械原理［J］.北京:高等教育出社，2006.

［2］屈鈞利.工程結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［3］劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS［J］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［4］周壽明，鄧成良.可用于生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(27):59-60.

［5］彭文生，黃華梁.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1996.

Research on the Transportation Mechanism of Production Line

LIU Wei-na，WU Di
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

At present，manual transportation with low efficiency as well as large time-consumption and labor-consumption，is the main means for handling materials in production lines.Based on the actual situation of the production line，this paper presents a semi-automated transportation mechanism，and then it makes an overall structural design for the entire transportation mechanism，calculates its trajectory and carries out ANSYS stress analysis to verify the feasibility of the program.

transportation mechanism;track;ANSYS;semi-automation

TP241.2

A

1009-3907(2013)12-1585-03

2013-10-09

劉薇娜(1956-)，女，吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精密、超精密加工、檢測技術(shù)研究。

book=360,ebook=379

責(zé)任編輯:

吳旭云