王成軍，邾志偉，郭永存，任潤(rùn)潤(rùn)

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001）

0 引言

隨著中國(guó)制造2025的提出，中國(guó)國(guó)內(nèi)制造業(yè)不斷升級(jí)，各類(lèi)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，機(jī)器換人已經(jīng)成為推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措[1]。國(guó)外對(duì)于機(jī)器人的研究起步較早，1959年美國(guó)的英格伯格和德沃爾設(shè)計(jì)制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，1962年美國(guó)通用汽車(chē)公司將第一臺(tái)示教工業(yè)機(jī)器人投入使用[2]。近年來(lái)，機(jī)器人的研究有了新的發(fā)展，國(guó)外PINHAS等[3]提出一種由并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)和串聯(lián)操作手臂構(gòu)成的新型混聯(lián)機(jī)器人；國(guó)內(nèi)張志強(qiáng)等[4]提出一種能實(shí)現(xiàn)3T-1R運(yùn)動(dòng)的混聯(lián)碼垛機(jī)器人應(yīng)用于包裝生產(chǎn)線。

在鑄件生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要搬運(yùn)并調(diào)整鑄件的姿態(tài)，以及完成對(duì)鑄件的各種清理作業(yè)[5]。飛邊、毛刺的清理打磨是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域[2]。目前，大多數(shù)鑄件的清理工作仍主要依靠手工工具和風(fēng)沖、風(fēng)鏟、高速手提式砂輪、懸掛砂輪等半機(jī)械化工具完成。少數(shù)企業(yè)嘗試采取機(jī)器人替代人工作業(yè)，采用串聯(lián)式單臂機(jī)器人單機(jī)或多機(jī)作業(yè)，無(wú)法滿足大重量、大體積和復(fù)雜異形鑄件的搬運(yùn)、調(diào)姿及清理作業(yè)需求[6]。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，基于機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)出一種混聯(lián)且多臂執(zhí)行部為變胞結(jié)構(gòu)的鑄件清理機(jī)器人，結(jié)構(gòu)更加靈活，可以滿足大重量、大體積和復(fù)雜異形鑄件的搬運(yùn)、調(diào)姿及清理作業(yè)需求，自動(dòng)化程度高。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論計(jì)算并聯(lián)工作臂的自由度，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)鑄件清理機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 鑄件清理機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.1 鑄件清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

鑄件清理機(jī)器人主要由行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、多臂執(zhí)行部和末端執(zhí)行器組成，如圖1所示。其中行走裝置用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體沿著外環(huán)形軌道和內(nèi)環(huán)形軌道移動(dòng)行走，由外輪架、內(nèi)輪架、驅(qū)動(dòng)輪、支承輪、導(dǎo)向輪、張緊輪和吊架組成；回轉(zhuǎn)裝置用于回轉(zhuǎn)裝置以下部分繞軸線旋轉(zhuǎn)，由回轉(zhuǎn)法蘭、回轉(zhuǎn)座、回轉(zhuǎn)筒體、回轉(zhuǎn)體、回轉(zhuǎn)電機(jī)和主動(dòng)齒輪組成；升降裝置用于機(jī)器人在垂直方向的升降；多臂執(zhí)行部由工作臂安裝座、第一工作臂、第二工作臂、第三工作臂和第四工作臂組成，可更換末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)不同的功能。

圖1 鑄件清理機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

根據(jù)鑄件清理工作的要求，作業(yè)時(shí)，先啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)行走裝置在環(huán)形導(dǎo)軌上移動(dòng)行走至指定作業(yè)位置，再根據(jù)作業(yè)姿態(tài)和高度要求分別調(diào)整回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置，調(diào)整四條工作臂至合適的回轉(zhuǎn)角度和作業(yè)高度，根據(jù)鑄件的重量、體積大小選擇搬運(yùn)鑄件所需氣動(dòng)手爪的數(shù)量。通過(guò)調(diào)節(jié)伺服減速電機(jī)可實(shí)現(xiàn)各工作臂上末端執(zhí)行器的姿態(tài)調(diào)整。四條工作臂聯(lián)合作業(yè)，可滿足大重量、大體積和復(fù)雜形狀鑄件搬運(yùn)和清砂、切割、拋光打磨等清理作業(yè)的要求，進(jìn)而提高鑄件清理的作業(yè)效率和質(zhì)量，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。

2 機(jī)器人工作臂的設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)工作臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鑄件清理機(jī)器人實(shí)現(xiàn)鑄件清理工作任務(wù)時(shí)，需要完成鑄件清理的所有工序，包括鑄件搬運(yùn)和清砂、切割、拋光打磨等；當(dāng)鑄件清理機(jī)器人在執(zhí)行鑄件抓取、搬運(yùn)任務(wù)時(shí)，多臂執(zhí)行部與鑄件構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。軌道式多臂鑄件清理機(jī)器人的工作臂由工作臂安裝座、第一工作臂、第二工作臂、第三工作臂、第四工作臂、工業(yè)攝像頭、肩部電機(jī)、大臂電機(jī)、小臂電機(jī)、帶傳動(dòng)裝置和末端執(zhí)行器組成，用于實(shí)現(xiàn)鑄件清理機(jī)器人的清理作業(yè)，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 并聯(lián)工作臂自由度計(jì)算

根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論[7]，鑄件機(jī)器人的多臂執(zhí)行部工作臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：當(dāng)鑄件清理機(jī)器人在執(zhí)行鑄件抓取、搬運(yùn)任務(wù)時(shí)，多臂執(zhí)行部與鑄件共同構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中鑄件充當(dāng)動(dòng)平臺(tái)，靜平臺(tái)為工作臂的頂部安裝法蘭，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：

鑄件清理機(jī)器人在執(zhí)行鑄件表面打磨、清理等作業(yè)任務(wù)時(shí)，要求工作空間大，需采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，而進(jìn)行大型鑄件搬運(yùn)及姿態(tài)調(diào)整作業(yè)時(shí)，機(jī)器人負(fù)載大，則需采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式來(lái)滿足作業(yè)任務(wù)的要求，并聯(lián)工作臂的機(jī)構(gòu)原理圖如圖3所示，其中R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副。

圖3 機(jī)器人并聯(lián)工作臂機(jī)構(gòu)原理圖

結(jié)合串、并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種混聯(lián)結(jié)構(gòu)的鑄件清理機(jī)器人，該鑄件清理機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：

學(xué)齡前兒童一般指3～6歲未達(dá)到入學(xué)年齡的兒童，此階段的兒童極易受到事物顏色、性狀、動(dòng)作等一系列特征的吸引，特別是現(xiàn)代社會(huì)處于電子化生活中，成人沉迷于電視、電腦、手機(jī)等設(shè)備，使得兒童也過(guò)多的關(guān)注這些電子設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間的近距離操縱，眼部肌肉得不到放松出現(xiàn)眼部疲勞[5-6]。除了這些不良用眼習(xí)慣外，先天因素、早產(chǎn)及出生低體質(zhì)量等兒童自身因素也可造成視力異常，因此視力篩查對(duì)兒童的健康成長(zhǎng)有著重要的意義。相關(guān)研究[7]顯示，學(xué)齡前是兒童視力發(fā)育的關(guān)鍵期和敏感期，學(xué)齡前是視力異常兒童治療的最佳時(shí)期，因此學(xué)齡前兒童視力篩查意義重大。

同時(shí)，還將鑄件清理機(jī)器人的多臂執(zhí)行部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一種變胞結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)和自由度可變。

式中：t3表示末端構(gòu)件存在三維移動(dòng)，r3表示在平面內(nèi)存在三維轉(zhuǎn)動(dòng)，Mbi表示第i條支鏈末端構(gòu)件的POC集[8]。

第一、二條支鏈組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為：

設(shè)第二個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ζ2，則第二個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)為：

第一、二、三條支鏈組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為：

則并聯(lián)工作臂的自由度為：

式中：F是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度，fi是支鏈中運(yùn)動(dòng)副的自由度，由于每條支鏈中運(yùn)動(dòng)副的自由度相同，故fi=5。

由式(9)可知，作為并聯(lián)工作臂動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)沿X、Y方向的平移和繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，共有4個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，并聯(lián)工作臂與回轉(zhuǎn)裝置、升降裝置構(gòu)成一個(gè)3平移3轉(zhuǎn)動(dòng)的6自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)。

2）當(dāng)R11.R21，R31.R41，R12.R22，R32.R42且R11與R31，R12與R32為任意關(guān)系時(shí)，同上計(jì)算可知，并聯(lián)工作臂有2個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，鑄件清理機(jī)器人有4個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其POC集為多臂執(zhí)行部具有空間的三平移一轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 靜力學(xué)仿真分析與優(yōu)化

運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)鑄件清理機(jī)器人抓取鑄件時(shí)應(yīng)力和變形進(jìn)行分析和優(yōu)化，將鑄件清理機(jī)器人三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入Workbench中，設(shè)置模型材料參數(shù)、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷[9]，最后，計(jì)算求解應(yīng)力和變形。

3.1 仿真分析

鑄件清理機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)選用鋁合金7050，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金7050材料基本參數(shù)

采用全局網(wǎng)格控制和參數(shù)設(shè)置方式，在Mechanical界面中對(duì)鑄件清理機(jī)器人整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為5mm，將Relevance設(shè)置為100，提高網(wǎng)格密度，將Relevance Center設(shè)置為Fine，得到739808個(gè)節(jié)點(diǎn)，405970個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量較好。結(jié)合鑄件清理機(jī)器人實(shí)際工作狀況，在軌道上端施加固定約束Fix Support，同時(shí)取極限載荷為100kg。

對(duì)鑄件清理機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)求解計(jì)算，通過(guò)添加Total Deformation和Equivalent stress查看機(jī)器人結(jié)構(gòu)的整體變形和應(yīng)力分布情況，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人整體變形和應(yīng)力分析結(jié)果圖

從圖4可以看出鑄件清理機(jī)器人的整體最大變形量為9.5084mm，最大等效應(yīng)力為1915.2MPa，鑄件清理機(jī)器人的變形量和最大等效應(yīng)力過(guò)大，無(wú)法滿足抓取作業(yè)時(shí)的工作需求，需要對(duì)鑄件清理機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[10]。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)最大變形部位在連接架和安裝座，變形量云圖如圖5所示。

圖5 機(jī)器人關(guān)鍵部位分析結(jié)果圖

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由圖5可知，連接架和安裝座出現(xiàn)較大的變形，影響機(jī)器人工作精度，為了降低位移變形和最大等效應(yīng)力，在安裝座上增加橫向加強(qiáng)筋，同時(shí)減小安裝座中間的工藝孔尺寸；增加連接架的厚度，最后對(duì)連接架和安裝座部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化[11]。將優(yōu)化后的三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型重新計(jì)算求解，得到鑄件清理機(jī)器人整體變形量和最大等效應(yīng)力結(jié)果如圖6(a)、圖6(b)所示，連接架和安裝座變形量如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖6 優(yōu)化后機(jī)器人整體變形和應(yīng)力分析結(jié)果圖

圖7 優(yōu)化后機(jī)器人關(guān)鍵部位分析結(jié)果圖

根據(jù)優(yōu)化后仿真分析結(jié)果圖6、圖7可以得出，鑄件清理機(jī)器人整體最大變形量從9.5084mm降低到1.1742mm，最大等效應(yīng)力從1915.2MPa降低到413.56MPa，連接架的變形量從3.4068mm減少到0.053864mm，安裝座變形量從6.3118mm減少到0.20604mm。優(yōu)化后的鑄件清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，為相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[12]，在完成鑄件的抓取作業(yè)任務(wù)同時(shí)，也提高了鑄件清理機(jī)器人工作的定位精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）針對(duì)現(xiàn)有鑄件清理技術(shù)的不足，基于機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)一種混聯(lián)且多臂執(zhí)行部為變胞結(jié)構(gòu)的鑄件清理機(jī)器人，該機(jī)器人能夠克服現(xiàn)有鑄件清理機(jī)器人存在的技術(shù)缺陷，結(jié)構(gòu)更加靈活，可以滿足大重量、大體積和復(fù)雜異形鑄件的搬運(yùn)、調(diào)姿及清理作業(yè)需求，自動(dòng)化程度高。

2）運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)鑄件清理機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到機(jī)器人在極限載荷下應(yīng)力、變形云圖和關(guān)鍵部件的變形云圖，對(duì)不合理部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化，從而得到滿足工作需求的鑄件清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)，為鑄件清理機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造提供了依據(jù)。