田會(huì)方，盛 強(qiáng)，吳迎峰，汪 健

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

碳纖維氣瓶具有著優(yōu)越的性能，其氣密性好，耐腐蝕，可靠性高，同時(shí)由于碳纖維纏繞層結(jié)構(gòu)，其密度小、剛性好、抵抗變形能力強(qiáng)，因高速碰撞而破壞時(shí)不會(huì)形成危險(xiǎn)性碎片，碳纖維氣瓶?jī)?yōu)越的性能使其廣泛應(yīng)用于航空、航天和民用眾多領(lǐng)域[1-2]。纏繞成型工藝是碳纖維氣瓶生產(chǎn)中的重點(diǎn)工序[3]，纏繞加工前，需把氣瓶工裝桿安裝擰緊于氣瓶口上，目前的碳纖維氣瓶纏繞生產(chǎn)線采用人工對(duì)氣瓶安裝工裝桿，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，造成了碳纖維氣瓶纏繞生產(chǎn)線生產(chǎn)效率低下，嚴(yán)重影響了其生產(chǎn)效益。

根據(jù)目前碳纖維氣瓶纏繞生產(chǎn)線情況，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)氣瓶安裝工裝桿的機(jī)械手裝置，并將安裝好工裝桿的碳纖維氣瓶輸送往下道工序。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手工作流程

自動(dòng)安裝工裝桿機(jī)械手裝置由機(jī)械手、氣瓶、工裝桿定位小車、輸送機(jī)和氣瓶安裝工位組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維氣瓶安裝工裝桿機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖

首先由人工對(duì)氣瓶定位小車進(jìn)行氣瓶上料，設(shè)置2個(gè)氣瓶定位小車輪番上料，同時(shí)，對(duì)工裝桿定位小車進(jìn)行工裝桿上料并推送至指定位置處定位。機(jī)械手在氣瓶定位小車處抓取氣瓶，將其搬運(yùn)到氣瓶安裝工位后釋放氣瓶，然后氣瓶安裝工位夾緊氣缸夾緊，此時(shí)機(jī)械手移動(dòng)至工裝桿定位小車位置，抓取工裝桿搬運(yùn)至氣瓶安裝工位上方，機(jī)械手C軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)將其擰緊于碳纖維氣瓶上。過(guò)程流程圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手安裝工裝桿工作流程圖

為了提高人工對(duì)氣瓶上料的易操作性，定位圓筒設(shè)計(jì)為喇叭口形狀，小車前端焊接2個(gè)定位銷，角鐵固定于地面，角鐵垂直面開(kāi)有2個(gè)銷孔，氣瓶上料完成后，將小車前面的定位銷推向角鐵的定位銷孔，達(dá)到對(duì)氣瓶定位的目的。工裝桿的定位采用定位圓柱定位，在鐵板上安裝有50個(gè)定位圓柱，可對(duì)50個(gè)工裝桿進(jìn)行定位，對(duì)定位小車的定位采用同樣方式，小車上有2個(gè)定位銷，與固定于地面的角鐵上的定位孔配合達(dá)到對(duì)工裝定位小車定位的目的。工裝定位小車上的全部工裝桿抓取安裝完畢后，人工更換工裝小車重新供給機(jī)械手的抓取。

運(yùn)輸機(jī)用于將安裝好工裝桿的氣瓶輸送出去，供下道工序機(jī)械手直接抓取。由于需要對(duì)氣瓶進(jìn)行準(zhǔn)確定位，輸送機(jī)采用伺服電機(jī)與滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，輸送機(jī)上方設(shè)置3個(gè)喇叭口定位圓筒，當(dāng)機(jī)械手完成3個(gè)氣瓶的工裝桿安裝時(shí)，伺服電機(jī)動(dòng)作并將其輸送到輸送機(jī)的另一端，等待下道工序機(jī)械手抓取，抓取完成后，伺服電機(jī)再次動(dòng)作，將空的圓筒運(yùn)回，如此循環(huán)。

1.2 機(jī)械手詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1X、Y、Z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手X、Y、Z軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手X、Y、Z軸結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械手的機(jī)構(gòu)類型可以劃分為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、平面關(guān)節(jié)型和并聯(lián)型，其中，直角坐標(biāo)型精度和剛度高，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)單[4]，本文選擇直角坐標(biāo)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)需要，機(jī)械手在搬運(yùn)氣瓶及工裝桿的過(guò)程中需完成平面內(nèi)的移動(dòng)，需要2個(gè)自由度，由于氣瓶和工裝桿的高度不一致，以及機(jī)械手移動(dòng)時(shí)的讓位，需要1個(gè)豎直方向上的自由度，在將工裝桿擰緊于氣瓶上時(shí)，需要夾緊工裝桿并做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故還需要1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，因此機(jī)械手一共需要4個(gè)自由度，即X、Y、Z軸的平移運(yùn)動(dòng)和C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于抓取時(shí)需要獲取精確的位置，電機(jī)均采用交流伺服電機(jī)[5]，X、Y、Z軸傳動(dòng)方式均采用直線導(dǎo)軌加滾珠絲杠，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)。為了保證機(jī)械手受力的平衡性，Z軸采用了雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)[6]。伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連接，絲杠螺母用螺栓與Y軸橫梁連接固定，以實(shí)現(xiàn)Y軸橫梁的上下運(yùn)動(dòng)。Y軸電機(jī)通過(guò)連接件固定于Y軸橫梁下方，設(shè)置滾珠絲桿進(jìn)行傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沿Y軸方向的平移運(yùn)動(dòng)，設(shè)置連接件1，通過(guò)螺母帶動(dòng)連接件1運(yùn)動(dòng)，連接件1與X軸橫梁通過(guò)螺栓連接，X軸橫梁一端設(shè)置連接件固定X軸電機(jī)，并設(shè)置絲桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沿X軸方向的平移運(yùn)動(dòng)。

1.2.2C軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手C軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械手C軸結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)連接件3，與連接件2用螺栓固定，連接件3下端做成L型，旁邊安裝C軸伺服電機(jī)。連接件3下方安裝蝸輪蝸桿減速器，以降低轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸豎向放置，上端用擋板和螺栓固定，防止軸向下竄動(dòng)，下端用軸肩固定，防止軸的向上竄動(dòng)。轉(zhuǎn)軸下方與末端執(zhí)行器通過(guò)鎖緊螺母鎖緊。

末端執(zhí)行器氣缸采用雙作用氣缸，氣缸桿伸出時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾爪放松，氣缸桿縮回時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾爪夾緊。為了增大夾爪與氣瓶口之間的摩擦系數(shù)，在夾爪內(nèi)側(cè)面覆蓋一層聚氨酯材料。

1.2.3 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受力分析如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受力分析圖

末端執(zhí)行器由六桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，氣缸桿縮回時(shí)，夾爪夾緊氣瓶口。氣缸縮回時(shí)拉力為F0，六桿機(jī)構(gòu)為對(duì)稱機(jī)構(gòu)，故一邊的作用力：

將力F1沿桿3方向分解為2個(gè)分力，分力F35為桿3對(duì)桿5的作用力：

則末端執(zhí)行器夾爪對(duì)氣瓶口的夾緊力為：

綜合（1）（2）（3）各式，可得：

2 關(guān)鍵零部件有限元分析

2.1 橫梁、支撐柱的輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)械手的橫梁與支撐柱采用方管和矩管制作，不同型號(hào)的方管和矩管有不同的重量和力學(xué)性能，需選擇合適的型號(hào)的管材既能滿足機(jī)械手運(yùn)行要求，又使得機(jī)械手最為輕便。

對(duì)于X軸橫梁而言，X軸橫梁水平放置，查閱相關(guān)資料可知，導(dǎo)軌的直線度誤差在水平面內(nèi)允許差值為0.3 mm。當(dāng)末端執(zhí)行器運(yùn)行到電機(jī)一側(cè)的極限位置時(shí)，X軸橫梁將發(fā)生最大變形。初選X軸的方管型號(hào)為150，在Creo軟件中建立方管模型，并轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入到Ansys work?bench中進(jìn)行有限元分析[7]。分析X軸橫梁的受力，X軸橫梁中間部位被上部連接件固定，為固定支撐，電機(jī)側(cè)受到末端執(zhí)行器、碳纖維氣瓶及C軸電機(jī)，減速器等的總重量，計(jì)算可得為737 N。對(duì)X軸橫梁施加以上載荷及約束，可得出X軸橫梁的最大變形及最大應(yīng)力如表1所示。按照以上分析方法，依次在Ansys workbench中分析方管型號(hào)為130、100、80時(shí)的變形及最大應(yīng)力，分析結(jié)果如表1所示。

表1 X軸橫梁各型號(hào)方管最大變形及最大應(yīng)力

由表1可見(jiàn)80～150的方管有限元分析所得的最大變形，其中100 mm方鋼的最大變形剛好在0.3 mm范圍以內(nèi)。最大應(yīng)力隨方管的減小有增大趨勢(shì)?？悸缘椒焦艿男吞?hào)尺寸越小，質(zhì)量越輕，以及最大應(yīng)力、變形的情況，本次設(shè)計(jì)采用100 mm×100 mm的方管，厚度為8 mm。

對(duì)于Y軸橫梁而言，受載類型與X軸相同，其導(dǎo)軌直線度誤差允許差值在水平面內(nèi)為0.3 mm。當(dāng)X軸橫梁與末端執(zhí)行器均運(yùn)行到Y(jié)軸橫梁的中間位置時(shí)，會(huì)發(fā)生最大變形。為了便于Y軸橫梁兩側(cè)安裝絲桿螺母，Y軸橫梁選用矩管制作，初選矩管的型號(hào)為160×65，在Creo中建模，并在橫梁上部設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)（圖1）。將設(shè)計(jì)的模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入Ansys workbench中，然后將兩側(cè)絲桿螺母孔位置施加固定約束，橫梁中間施加豎直向下的載荷，大小為Y軸橫梁及其下部構(gòu)件的總重量，計(jì)算可得為2 696 N。用同樣的方法，分別對(duì)型號(hào)為150×50、120×40矩管做同樣的有限元分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 Y軸橫梁各型號(hào)矩管最大變形及最大應(yīng)力

由表2可見(jiàn)，隨著方管的尺寸的減小，其最大變形有增加的趨勢(shì)，矩管尺寸為150 mm×50 mm時(shí)，其最大變形剛好在0.3 mm以內(nèi)。結(jié)合變形、應(yīng)力及方管質(zhì)量輕便上的考慮，此次設(shè)計(jì)采用150 mm×50 mm的矩管，厚度為8 mm。

對(duì)于Z軸支撐柱而言，Z軸支撐柱豎直放置，查閱相關(guān)資料可知，導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度允許差值為0.02 mm。兩側(cè)的兩個(gè)支撐柱均攤機(jī)械手總的重量。結(jié)合以上對(duì)X軸、Y軸橫梁的確定，可求得中間機(jī)械手部分的總重量為2 048 N，均分到一側(cè)，并加上一側(cè)絲杠、導(dǎo)軌、電機(jī)的重量，一側(cè)立柱所受載荷為1 317 N。初選方管的型號(hào)為200，在Ansys workbench中添加載荷和約束，可求得最大變形及最大應(yīng)力如表3所示。用同樣的方法，求得方管型號(hào)為160、120、100時(shí)的最大變形及最大應(yīng)力如表3所示。

表3 Z軸支撐柱各型號(hào)方管最大變形及最大應(yīng)力

由表3可知，隨著方管尺寸的減小，Z軸支撐柱最大變形有增大趨勢(shì)，最大應(yīng)力逐步增大，其中200 mm的方管尺寸最大變形剛好在0.02 mm以內(nèi)，故Z軸支撐柱采用200 mm×200 mm的方管，厚度為10 mm。

2.2 末端執(zhí)行器的有限元分析

末端執(zhí)行器需要進(jìn)行有限元分析，確認(rèn)其在夾取及搬運(yùn)氣瓶過(guò)程中變形及最大應(yīng)力在合理范圍之內(nèi)。末端執(zhí)行器連桿及氣缸架采用Q235結(jié)構(gòu)鋼制作，Q235結(jié)構(gòu)鋼的材料力學(xué)性能如表4所示。

表4 Q235結(jié)構(gòu)鋼材料力學(xué)性能

在Creo中對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)換格式并導(dǎo)入Ansys workbench中，對(duì)末端執(zhí)行器的氣缸架施加固定約束，氣瓶質(zhì)量為7 kg，對(duì)末端執(zhí)行器夾爪處施加豎直向下的載荷68.6 N，可求得末端執(zhí)行器的最大變形及最大應(yīng)力，如圖6、7所示。

圖6 末端執(zhí)行器總變形云圖

圖7 末端執(zhí)行器應(yīng)力云圖

從圖中可看出，末端執(zhí)行器的最大變形約為0.084 mm，末端執(zhí)行器工作時(shí)，不影響對(duì)工裝桿的夾緊及安裝。末端執(zhí)行器的最大應(yīng)力約為10.8 MPa，遠(yuǎn)小于Q235結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度235 MPa，其最大變形及最大應(yīng)力在合理范圍之內(nèi)，故設(shè)計(jì)合理。

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

通過(guò)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出機(jī)械手運(yùn)行時(shí)的位移、速度曲線，可確定機(jī)械手搬運(yùn)氣瓶時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)械手搬運(yùn)氣瓶時(shí)涉及X、Y、Z軸的平動(dòng)，在安裝工裝桿時(shí)涉及C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，仿真時(shí)，可以讓機(jī)械手4軸一起運(yùn)動(dòng)，若此時(shí)機(jī)械手運(yùn)行穩(wěn)定，則結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。由于計(jì)算機(jī)性能的限制，在將模型導(dǎo)入Adams前，可對(duì)機(jī)械手做相應(yīng)簡(jiǎn)化。去掉各個(gè)橫梁、支撐柱上的電機(jī)、導(dǎo)軌滑塊，增加相應(yīng)的重量的重塊以保證重力不變。末端執(zhí)行器夾緊氣瓶后，與氣瓶連接為一體，可對(duì)末端執(zhí)行器做相應(yīng)的簡(jiǎn)化，并保證重量的不變。將機(jī)械手簡(jiǎn)化并保存為parasolid格式導(dǎo)入Adams中[8]。對(duì)機(jī)械手的X、Y、Z軸添加滑移副，對(duì)C軸添加旋轉(zhuǎn)副，并在各運(yùn)動(dòng)副上添加相應(yīng)滑移驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)擊仿真按鈕，可見(jiàn)機(jī)械手夾緊氣瓶沿著X、Y、Z、C軸平移及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。添加氣瓶在運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移及速度曲線，可得到仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 機(jī)械手速度、位移曲線

由圖中可見(jiàn)，機(jī)械手搬運(yùn)氣瓶運(yùn)行時(shí)，氣瓶速度曲線穩(wěn)定不變，各軸位移分量勻速變化，故設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)的運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)碳纖維氣瓶纏繞生產(chǎn)線自動(dòng)安裝工裝桿機(jī)械手進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)安裝流程進(jìn)行了說(shuō)明，并介紹了雙電機(jī)同步控制的控制方法。對(duì)機(jī)械手中的重點(diǎn)零部件，各橫梁、支撐柱進(jìn)行了Ansys有限元分析和討論，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的機(jī)械手滿足強(qiáng)度要求，并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求。