范 娟，張新建*，楊家軍，2

(1.文華學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)部，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄傳統(tǒng)工藝用專機(jī)和人工輔助將缸套鑲件嵌入模具，操控壓鑄機(jī)高速壓注鋁液至模具型腔，快速成型，開(kāi)模后由專機(jī)與人工輔助將型腔內(nèi)成型缸體取出。由于缸體本體約10 kg，取出勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低且生產(chǎn)質(zhì)量不高。

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化壓鑄生產(chǎn)(簡(jiǎn)稱智能壓鑄島)已經(jīng)在壓鑄行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。研究者一直致力于其性能改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄島工作時(shí)，工業(yè)機(jī)器人末端操作器夾取缸套、鑲件推送缸套、夾取缸體，由于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)較多，每款發(fā)動(dòng)機(jī)缸矩差別，不同機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)用不同工業(yè)機(jī)器人末端操作器，使行生產(chǎn)切換與生產(chǎn)故障頻繁。通過(guò)對(duì)8種機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品缸體間矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，缸體間矩最大1 129 mm，最小980 mm。SolidWorks建模設(shè)計(jì)法蘭盤快換方式實(shí)現(xiàn)末端操作器的切換，發(fā)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)其功能，但始終未解決一種末端操作器實(shí)現(xiàn)通用不同機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)。為了使不同機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體共用一種末端操作器，研究人員通過(guò)采用伺服與鉸鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制等量變矩原理[1]，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作仿真，結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)不同缸矩抓取的要求。

本研究采用伺服等量變矩[2-3]，利用機(jī)械與電氣控制相結(jié)合以得到其預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)數(shù)模，并通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 末端操作器的描述

傳統(tǒng)缸體壓鑄工業(yè)機(jī)器人末端操作器外形圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)缸體壓鑄工業(yè)機(jī)器人末端操作器

工業(yè)機(jī)器人末端操作器是結(jié)合工藝需求設(shè)計(jì)的專用裝置，設(shè)計(jì)需求如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)需求說(shuō)明表

本研究中的末端操作器設(shè)計(jì)從輸送缸套裝置對(duì)接抓取4個(gè)缸套，在鑲?cè)肽＞咝颓粫r(shí)同時(shí)能夠推送4個(gè)缸套至定位底部，并且可自動(dòng)變距適應(yīng)用不同機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的生產(chǎn)。

缸體成型后缸體通用型末端操作器能夠滿足多機(jī)種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體取出，且與后工序機(jī)械不干涉。

1.2 設(shè)計(jì)相關(guān)分析

1.2.1 工業(yè)機(jī)器人參數(shù)介紹與運(yùn)動(dòng)路徑分析

本次項(xiàng)目選取ABB-IRB6640機(jī)器人，ABB-IRB6640機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[4]。

表2 IRB6640參數(shù)介紹

變距抓手的運(yùn)動(dòng)路徑包括位置的變化和姿態(tài)的變化。

工具坐標(biāo)平移運(yùn)動(dòng)在基坐標(biāo)的矩陣變換公式如下：

(1)

(2)

旋轉(zhuǎn)點(diǎn)在基坐標(biāo)系里面的坐標(biāo)矩陣變換包括繞x，y，z，3個(gè)方向的變換如下：

(3)

(4)

(5)

1.2.2 氣動(dòng)控制夾持力計(jì)算

夾取缸套所需的最小夾緊力[5]為：

μF夾=G=Mg

(6)

式中：F夾—取件抓手的夾緊力；M—發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的重量。

取件抓手夾套與缸套之間的靜摩擦系數(shù)為0.2。

取件抓手和缸套抓手都采用氣壓驅(qū)動(dòng)，則氣動(dòng)控制夾持力為：

(7)

式中：D—?dú)飧赘讖?；p—?dú)飧资褂脡毫Γ琈Pa；η—?dú)飧棕?fù)載率。

1.2.3 伺服變距結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

末端操作器變距運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和鉸鏈機(jī)構(gòu)。由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊的移動(dòng)，絲桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊壓動(dòng)連接桿，從而實(shí)現(xiàn)鉸鏈機(jī)構(gòu)距離的收縮，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滑塊向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉸鏈機(jī)構(gòu)的伸展，達(dá)到等量變矩的功能。

變距機(jī)構(gòu)的平面圖如圖2所示。

圖2 伺服變距結(jié)構(gòu)圖

滑塊對(duì)連桿的推力為F1，滑動(dòng)表面的摩擦系數(shù)為μ。絲桿的參數(shù)包括軸徑D、軸長(zhǎng)L和節(jié)距p。發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J。

相關(guān)計(jì)算式如下：

(8)

(9)

(10)

式中：P—發(fā)動(dòng)機(jī)的功率；n—轉(zhuǎn)速；T—發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；Tf—絲杠產(chǎn)生的摩擦力矩；L—絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的水平距離[6-8]。

鉸鏈機(jī)構(gòu)整體受力分析簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

圖3 鉸鏈機(jī)構(gòu)整體受力分析圖

其中：

∑FX=0F1=FX1+FX2；

∑Fy=0Fy1=Fy2。

鉸鏈的運(yùn)動(dòng)方式包括收縮和伸展，θ的角度范圍從90°～150°，鉸鏈桿的長(zhǎng)度為120 mm，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中心距為895 mm～1 129 mm的抓取要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 末端操作器主要運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)了一種缸體通用型工業(yè)機(jī)器人末端操作器，其主要運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由4個(gè)部分組成：

(1)伺服變距結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造，可快速切換缸體中心距，以達(dá)到生產(chǎn)要求。

伺服距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 伺服變距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(2)缸套抓取鑲件結(jié)構(gòu)本末端操作器以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸套鑲件為導(dǎo)向設(shè)計(jì)，抓取鑲件結(jié)構(gòu)為4個(gè)分支結(jié)構(gòu)同一控制回路。

缸套抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 缸套抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(3)缸套鑲嵌結(jié)構(gòu)缸套放入模具定位銷內(nèi)，推入結(jié)構(gòu)將其推入到位。

缸套鑲嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 缸套鑲嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(4)缸體取出結(jié)構(gòu)夾持缸體本體，并能適應(yīng)后工序的加工結(jié)構(gòu)。

缸體取出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 缸體取出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 末端操作器分解圖

由于壓鑄車間環(huán)境惡劣，工業(yè)機(jī)器人取鑲件末端操作器整體設(shè)計(jì)需考慮防護(hù)裝置，分解圖中涉及到23-頂出氣缸護(hù)蓋、35-水塵防護(hù)橡膠支撐鈑金、34-水塵防護(hù)橡膠等防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。

缸體工業(yè)機(jī)器人末端操作器分解圖如圖8所示。

圖8 缸體工業(yè)機(jī)器人末端操作器分解圖1-機(jī)器人連接法蘭；2-取件夾手固定板；3-變位夾手固定板；4-頂出氣缸固定板；5-取鑲件夾手右側(cè)板；6-取鑲件夾手后側(cè)板；7-頂出托板；8-頂出托板導(dǎo)板；9-頂出托板導(dǎo)板；10-頂出導(dǎo)板；11-頂出導(dǎo)桿導(dǎo)套；12-變位絲桿固定座；13-變位夾手固定座；14-變位絲桿螺母固定座；15-變位連桿A；16-變位連桿B；17-變位連桿銷A；18-變位連桿銷B；19-變位連桿D；20-變位連桿C；21-角接觸軸承座B；22-缸套推板；23-頂出氣缸護(hù)蓋；24-取件手指固定座；25-取件手指；26-變位連桿銷C；27-頂出氣缸連接器；28-變位夾手固定座B；29-角接觸軸承座端蓋B；30-夾手固定座B過(guò)渡塊；31-角接觸軸承座；32-角接觸軸承座端蓋；33-角接觸軸承座密封蓋板；34-水塵防護(hù)橡膠；35-水塵防護(hù)橡膠支撐鈑金；36-缸套夾手手指座；37-缸套夾手手指；38-schunk_PGN-plus300-1；39-SMC_CDQ2B8-50；40-SMC_MHSL3-40D-M9N；41-三菱伺服電機(jī)HF-KP23；42-傳動(dòng)絲桿BNT 1605-26(THK)；43-傳動(dòng)絲桿螺母BNT 1605-26(THK)；44-信號(hào)線航空插頭；45-孔卡38；46-導(dǎo)軌SR15W(THK)；47-滑塊SR15W(THK)；48-聯(lián)軸器SHC-35C(仕勛)；49-自潤(rùn)軸承JDB-1_152130；50-自潤(rùn)軸承JDB-1_162220；51-自潤(rùn)軸承JDB-1_162240；52-自潤(rùn)軸承JDB-1_303830；53-角接觸軸承7001 C；54-軸卡16；55-防水接頭

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體工業(yè)機(jī)器人末端操作器，并通過(guò)伺服等量變矩結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，確認(rèn)了核心部件理論設(shè)計(jì)的可行性。結(jié)構(gòu)組立通過(guò)時(shí)效疲勞試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常，充分說(shuō)明該設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

采用伺服等量變距工業(yè)機(jī)器人取鑲件末端操作器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可大大提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)快速變距切換機(jī)型的功能。

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