吳迪,李健*,喬萌

(1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州545006; 2.廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室(廣西科技大學(xué))，廣西柳州545006)

基于AMESim的氣動機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

吳迪1,2,李健*1,2,喬萌1,2

(1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州545006; 2.廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室(廣西科技大學(xué))，廣西柳州545006)

針對注塑成型機生產(chǎn)時，人工取件效率低、廢品率高、環(huán)境差、成本高等缺點，設(shè)計出適合中小型臥式注塑成型機專用氣動機械手，該機械手可以設(shè)計出不同的上下行程，匹配不同型號的注塑成型機.在詳細介紹氣動機械手的結(jié)構(gòu)及功能，機械手橫行、引拔、主臂、副臂、側(cè)姿機構(gòu)和驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的氣動系統(tǒng)回路圖;利用AMESim軟件建立氣動系統(tǒng)回路模型，仿真后獲取關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，驗證該系統(tǒng)模型的正確性;進一步探討氣動節(jié)流閥開度對機械手工作影響.

氣動機械手;機械手機構(gòu)設(shè)計;氣動系統(tǒng)設(shè)計;AMESim仿真

0 引言

注塑成型機械手是實現(xiàn)注塑機生產(chǎn)的自動化基礎(chǔ).在專用機械手設(shè)計與研究方面，國外企業(yè)起步較早，水平較高，代表性的有奧地利威猛集團生產(chǎn)的開放式編程控制機械手，能靈活進行自動化生產(chǎn);日本哈模公司較早推出了能抓取重達20 kg物品的五軸全伺服產(chǎn)品;日本的有信精機研發(fā)出了質(zhì)量輕、速度快的高速取水口機械手［1］.上述產(chǎn)品雖然運動模式多樣，但價格昂貴，只在大型注塑企業(yè)使用，中小企業(yè)使用率不高.

近幾年來國內(nèi)品牌的不斷探索，注塑機成型機械手生產(chǎn)制造已初具規(guī)模，如臺灣西格瑪，廣東天行，浙江偉力等雖有自己的特色產(chǎn)品，且以重慶大學(xué)為首的科研單位對注塑機專用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)和動力學(xué)、氣動部分編輯控制進行了研究分析，形成了一套結(jié)構(gòu)運動和編程控制聯(lián)合仿真流程［2］;但產(chǎn)品專用性、硬件的耐久性和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性仍需提升.本文以此為基礎(chǔ)，闡述氣動機械手結(jié)構(gòu)及運動原理，結(jié)合AMESim軟件對氣動系統(tǒng)進行仿真分析，獲取關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)，探討節(jié)流閥開度對機械手工作影響.

1 氣動機械手機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計氣動機械手采用直角坐標(biāo)型，機械手由3個用來確定末端操作器位置的線性關(guān)節(jié)組成，末端附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的姿態(tài).工程應(yīng)用中將機械手安裝于臥式注塑成型機上，注塑成型機開模后，主臂下行，側(cè)姿吸盤吸附產(chǎn)品，主臂上行，產(chǎn)品被主臂取出橫出后放入指定位置;與此同時，副臂下行夾取產(chǎn)品殘留水口，并橫出放入回收箱;所以，本設(shè)計主要考慮3個關(guān)節(jié)機構(gòu)和驅(qū)動方式.

氣動機械手具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由側(cè)姿機構(gòu)、引拔機構(gòu)、主副臂、橫行機構(gòu)組成及外部氣閥組箱和電控箱組成.主副臂在氣缸的往復(fù)動作過程中實現(xiàn)上下動作，主副臂機構(gòu)通過滑塊組安裝在引拔部分，實現(xiàn)主副臂的引拔動作.引拔機構(gòu)組通過橫板滑塊組安裝在橫行機構(gòu)上，實現(xiàn)引拔機構(gòu)的橫入橫出動作.除橫行部分由于要承受一定的重量和沖擊，采用鋼材料之外，其他機構(gòu)零件均采用不同強度的鋁合金，減輕了機械手本身質(zhì)量，降低了高速動作后產(chǎn)生的沖擊振動.

圖1 氣動機械手各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pneumatic manipulator

圖2 橫行機構(gòu)Fig.2 Transverse mechanism

1.1 橫行機構(gòu)

氣動機械手的橫行機構(gòu)如圖2所示，半圓齒皮帶被皮帶卡座兩端固定，裝有伺服電機的橫行滑板能夠在線性導(dǎo)軌上滑動，伺服電機減速機末端半圓齒輪與半圓齒皮帶嚙合，皮帶由張緊輪和皮帶卡座共同配合提供張力，當(dāng)電機工作時，驅(qū)動橫行滑板相對方通運動.安裝在橫行板上的引拔懸臂支撐塊起固定懸臂作用.

1.2 引拔

引拔機構(gòu)采用的是全氣動驅(qū)動方式，速度快，定位準(zhǔn)確，具體結(jié)構(gòu)如3所示，引拔滑板通過滑塊在線性導(dǎo)軌上運動，氣缸活塞桿連接座安裝在引拔懸臂上側(cè)，位置可調(diào);而引拔氣缸與引拔滑板連接固定，當(dāng)氣缸工作時引拔滑板會隨之相對懸臂往復(fù)運動，而油壓緩沖器起緩沖減振作用.防落氣缸安裝在引拔滑板下側(cè)，在氣動機械手獲得氣壓時，防落氣缸一直克服彈簧壓力工作，推回活塞桿;當(dāng)手臂工作時，氣源斷掉，防落氣缸活塞桿被推出頂住防落塊，避免手臂危險下行.

1.3 主臂副臂及側(cè)姿和夾具

圖3 引拔機構(gòu)Fig.3 Stubbs institutions group

主臂和副臂機構(gòu)一樣，只是在手臂端分別安裝側(cè)姿組和夾具，如圖4所示主副臂靠氣缸驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，不同行程的氣缸適用不同型號的注塑成型機，手臂座安裝在懸臂機構(gòu)引拔滑板上，氣缸和雙頭油壓緩沖器安裝固定在手臂座上，擋塊可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同位置.側(cè)姿機構(gòu)主要是將氣缸直線運動轉(zhuǎn)換為側(cè)姿翻板旋轉(zhuǎn)運動，安裝在防落塊.

圖4 主副臂機構(gòu)Fig.4 Main and vice arm mechanism

圖5 側(cè)姿機構(gòu)Fig.5 Posture institutions

1.4 側(cè)姿和夾具

側(cè)姿機構(gòu)主要是將氣缸直線運動轉(zhuǎn)換為側(cè)姿翻板旋轉(zhuǎn)運動，安裝防落塊.

圖6 氣動機械手動作流程圖Fig.6 The pneumatic manipulator motion diagram

2 機械手氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

氣動系統(tǒng)各執(zhí)行元件即氣缸由二位五通電磁閥分別控制，PLC根據(jù)反饋的位置信號做出下一動作指示，動作流程圖如圖6所示.

根據(jù)以上動作順序設(shè)計的氣動機械手氣壓回路原理圖如圖7所示.機械手在下行取物之前主副臂包括側(cè)姿和夾具分別處在準(zhǔn)備下行、垂直和待夾待機狀態(tài)，而設(shè)計的氣路回路只要控制二位五通電磁閥通電狀體就能達到待機要求［3］.氣路保持一定的工作氣壓，氣缸推桿被推回，防止機械手臂不安全下落.

圖7 氣動機械手氣壓回路原理圖Fig.7 Pneumatic manipulator pneumatic circuit diagram

圖8 二位五通閥Fig.8 Two position five way electromagnetic valve

3 氣動系統(tǒng)仿真分析

AMESim是一種工程系統(tǒng)高級建模和仿真平臺軟件，涵蓋了機械、液壓、氣動、動力傳動等領(lǐng)域［4-5］.利用AMESim軟件建立該氣動系統(tǒng)的仿真分析模型.仿真過程中首先需要在氣動元件標(biāo)準(zhǔn)庫找到相應(yīng)模型，如氣源、單桿氣缸、節(jié)流單向閥.而系統(tǒng)中的三聯(lián)閥、二位五通電磁閥需要在PCD (Pneumatic Component Design)中建立元件模型.

3.1 AMESim仿真模型建立

圖9 二位五通電磁閥PCD模型Fig.9 PCD model of two Position Way

整個回路系統(tǒng)中首先需要在PCD中建立如圖8所示的二位五通電磁閥元件模型，并驗證模型的正確性，圖9為其仿真模型，是由27個子模塊組建的一個電控室操作方向控制閥［6］.模型上部分用一個限位質(zhì)量塊和6個活塞腔組成主閥芯部分，其中A，B，P，R1，R2閥口與圖8一一對應(yīng).

圖10 二位五通電磁閥仿真示意圖Fig.10 The simulation of Two position five way electromagnetic valve

二位五通閥模型通過施加一個推力來模擬電磁力如圖10所示.在0～5 s內(nèi)二位五通閥芯保持初始位置，此時氣體流向為P→A→B→R2，在5 s～10 s施加3 N的恒力克服閥芯彈簧力，推動閥芯向右移動20 mm，此時氣體流向為P→B→A→R1.符合二位五通閥實際工作狀態(tài).

考慮到本氣路系統(tǒng)使用二位五通閥數(shù)量為6個，在模型構(gòu)造時會比較復(fù)雜，為了簡化系統(tǒng)，將二位五通電磁閥用一個超級元件替代［7］.如圖11所示.

選取正確的元件模型，建立如圖12所示系統(tǒng)仿真模型.

3.2 參數(shù)設(shè)置

氣路仿真模型建立后，添加相應(yīng)的元件參數(shù)，元件參數(shù)以實際電磁閥參數(shù)與相應(yīng)氣缸參數(shù)為依據(jù)，保證仿真過程盡量接近真實工作狀態(tài).氣源溫度為默認值，即293.15 K，氣源壓力為0.6 MPa［8］.二位五通閥及各氣缸參數(shù)設(shè)置如表1所示.

圖11 二位五通閥超級元件示意圖Fig.11 Two position five way electromagnetic valve

圖12 氣路仿真模型Fig.12 The gas path simulation mode

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting

3.3 仿真結(jié)果與分析

將模型仿真時間設(shè)為10 s，時間步長為0.1 s，如圖13所示為主臂上下氣缸活塞桿位移、速度、加速度曲線.初始狀態(tài)由于氣體充滿氣缸需要時間，主臂開始下行，當(dāng)氣體迅速充滿氣缸后，主臂又回到原點處，2.5 s時二位五通電磁閥開始工作，活塞桿下行到0.65 m處并保持2.5 s，5 s后電磁閥停止工作，氣缸回到原點，準(zhǔn)備下一個周期.從仿真曲線完全驗證了氣缸實際的工作狀況.

圖13 仿真模型關(guān)鍵部件曲線圖Fig.13 The key component curve of simulation model

節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量，從而控制氣缸工作速度［9］;最大限度開啟節(jié)氣流閥開度，在一個周期內(nèi)速度最大時達到了5.2 m/s，這對于氣缸實際工作非常不利，高速急停必然帶來主臂的下行過程中劇烈抖動，而油壓緩沖器只能在某一速度范圍內(nèi)保證主臂緩沖效果;因此，根據(jù)速度曲線合理調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，確保速度曲線峰值在合理的范圍內(nèi).由于選取的油壓緩沖器工作范圍在0～4 m/s之間［10］;因此，選取3/10～4/10節(jié)流閥開度最為合理如圖14;保證機械手正常工作情況下，針對不同的油壓緩沖器，調(diào)整節(jié)流閥開度至關(guān)重要.

4 結(jié)論

1)該機械手采用直線坐標(biāo)式執(zhí)行機構(gòu)，布局合理，結(jié)構(gòu)簡單，手臂引拔、上下動作采用氣動驅(qū)動，定位準(zhǔn)確，響應(yīng)速度可調(diào);

2)根據(jù)工作原理設(shè)計了工作流程及氣壓回路原理圖，考慮了安全因素，加裝了主臂防落氣缸保護裝置;

3)在AMESim中建立了完整的氣壓回路仿真系統(tǒng)，通過主臂活塞桿曲線驗證了機械手實際的工作狀況;并根據(jù)仿真分析結(jié)果，選取最恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，即節(jié)流閥的開度，保證機械手在合理范圍內(nèi)工作.

圖14 不同節(jié)流閥開度對應(yīng)的最大速度Fig.14 Maximum speed corresponding to different throttle valve opening

［1］關(guān)志杰.注塑機專用機械手的設(shè)計與虛擬樣機仿真［D］.西安:陜西科技大學(xué)，2013.

［2］王建.硫化機上下料機器人的設(shè)計與開發(fā)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2014.

［3］吳振順.氣壓傳動與控制［M］.2版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［4］付永領(lǐng)，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［5］曾文偲，初長祥，曾衡.基于AMESim的某型負載保持閥性能分析與試驗研究［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報，2015，26(1):53-58.

［6］王成剛，謝小恒，肖健，等.基于AMESim沖擊氣缸二位五通氣控閥的建模與仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2013(1):10-13.

［7］羅艷蕾，李淵，李蒙，等.基于AMESim的兩位三通閥動態(tài)仿真研究［J］.科技廣場，2010(6):99-101.

［8］武鵬飛，吳張永，邵曉光.氣動機械手柔性抓取控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析［J］.機床與液壓，2008，36(12):116-117.

［9］李志紅，陳繼文.基于節(jié)流閥的進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性研究［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報，2010，21(2):86-90.

［10］譚宗柒，汪云峰，陳永清，等.基于AMESim的液壓緩沖器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真分析［J］.起重運輸機械，2008(6):79-82.

The structure design and simulation analysis of pneumatic manipulator based on AMESim

WU Di1，2，LI Jian*1，2，QIAO Meng1，2
(1.School of Automobile and Traffic Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

This specialized pneumatic manipulator was designed to adjust to medium and small sized horizontal injection molding machine，aiming to improve the flaws of low manual efficiency，high rejection rate，poor environment and high cost when producing.This manipulator can design different vertical stroke，and match different types of injection molding machine.To begin with，this paper gives a detailed introduction to the structure and function of the pneumatic manipulator，as well as the mechanism of transverse，drag and pull，main arm，vice arm and swivel.Meanwhile，it establishes the pneumatic system circuit diagram.Then we use LMS.AMESim to establish the pneumatic system circuit model，analyze the results and verify the validity of the system model after obtaining the key components data of simulation.In the end，we investigate and discuss the influence upon the manipulator made by the fullness of the pneumatic throttle.

pneumatic manipulator;manipulator structure design;pneumatic system design;simulation based on AMESim

TP241.2

A

2095-7335(2016)02-0062-07

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.011

(學(xué)科編輯:黎婭)

2015-12-03

廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程項目(CXQG012013032);廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(JGY2014117)資助.

*通信作者:李健，博士，教授，研究方向:工業(yè)機器人，E-mail:lijian0772@126.com.