(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河北 張家口 076450)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。汽車(chē)數(shù)量和交通事故的增多，引起人們對(duì)汽車(chē)堅(jiān)固性的重視。其中轎車(chē)側(cè)門(mén)是整個(gè)轎車(chē)最薄弱的地方，為減小發(fā)生交通事故時(shí)車(chē)內(nèi)人員的受傷程度，需在側(cè)門(mén)安裝各種形式的防撞梁。目前在市場(chǎng)上的防撞梁主要有管狀和帽形2種形式。日韓型轎車(chē)常用管狀防撞梁。管狀防撞梁也叫防撞桿，其兩端有支架，中間主要為圓管，也有矩形管、梅花形管、橢圓形管等。歐美型轎車(chē)主要用帽形防撞梁。帽形防撞梁主要有單帽形狀(U形)，雙帽形狀(M形)。

目前國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)在防撞梁焊接過(guò)程中的上下料部分還處于人工上下料，費(fèi)時(shí)且效率低下。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，需要自動(dòng)化改造。南方的一些企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)手爪交互式自動(dòng)上下料，但這種交互式手爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在上下料過(guò)程中誤時(shí)，效率需要再次提高。本課題基于某工廠在焊接過(guò)程中使用同一只手爪抓取支架和圓管的困難之處，設(shè)計(jì)出一種平面和弧面磁吸面組合式的電磁吸盤(pán)。目前電磁吸盤(pán)，要么是單純的平面電磁吸盤(pán)，要么是單純的弧面電磁吸盤(pán)，沒(méi)有此種兼具弧面和平面的電磁吸盤(pán)，故需要設(shè)計(jì)這種電磁吸盤(pán)。此種電磁吸盤(pán)可以很好地解決上下料的難題，完成對(duì)板類(lèi)和弧面類(lèi)零件的抓取，效率會(huì)再次提高。因此這種電磁吸盤(pán)應(yīng)用范圍更廣，使用性更強(qiáng)。

1 工件簡(jiǎn)介

圖1 防撞梁

轎車(chē)側(cè)門(mén)防撞梁對(duì)轎車(chē)有支撐和防撞的作用，可以減輕乘車(chē)人員受傷害的程度，因此防撞梁在性能上具有高硬度、高強(qiáng)度的特性；在結(jié)構(gòu)上防撞梁由支架和圓管焊接在一起，材質(zhì)是合金鋼1060。圓管長(zhǎng)1 000 mm，大外圓直徑50 mm，小內(nèi)圓直徑35 mm,質(zhì)量為2.25 kg。支架長(zhǎng)230 mm，寬200 mm，厚3 mm，質(zhì)量為0.75 kg；在SolidWorks軟件中建立已焊接好的防撞梁三維模型如圖1所示。

2 手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 雙吸盤(pán)機(jī)械電磁手爪

雙吸盤(pán)機(jī)械電磁手爪是基于長(zhǎng)為1 000 mm的圓管和2個(gè)支架而設(shè)計(jì)。雙吸盤(pán)機(jī)械電磁手爪具有2個(gè)完全相同的兼有弧面和平面的電磁吸盤(pán)，對(duì)稱分布于絲杠的兩端，如圖2所示，并通過(guò)絲杠和連接臂連接在一起，通過(guò)絲杠可以調(diào)節(jié)2個(gè)電磁吸盤(pán)的相對(duì)距離，以便抓取不同長(zhǎng)度的工件。

3 電磁吸盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，防撞梁由支架和圓管組成，為進(jìn)一步提高效率，可以設(shè)計(jì)既能抓取圓管又能抓取支架的電磁吸盤(pán)。該電磁吸盤(pán)的形狀和尺寸根據(jù)被吸附對(duì)象的形狀和尺寸來(lái)設(shè)計(jì)[1]。夾取支架宜用平面吸盤(pán)，夾取圓管宜用夾持類(lèi)手爪或弧面吸盤(pán)；鑒于這種矛盾，設(shè)計(jì)出既能吸取支架又能吸取圓管的平面圓弧面組合式電磁吸盤(pán)，如圖3所示，平面磁吸面對(duì)稱分布在弧面磁吸面兩邊；弧面半徑和圓管外徑相同，皆為25 mm。

該電磁吸盤(pán)主要由磁吸頭、鐵芯、線圈、磁軛、隔磁板、外殼組成。弧面磁吸面的鐵芯采用長(zhǎng)、寬、高分別為30 mm、20 mm、50 mm的長(zhǎng)方體金屬導(dǎo)磁材料制成。平面磁吸面的鐵心長(zhǎng)、寬、高分別20 mm、20 mm、50 mm的長(zhǎng)方體金屬導(dǎo)磁材料。線圈繞制在鐵芯上，磁軛既是磁路導(dǎo)磁體，又是磁吸頭外殼一部分。電磁吸盤(pán)線圈通電后，磁力線通過(guò)磁吸頭和工件，工件被磁化吸緊。電磁鐵斷電后，磁力線消失，工件依靠自身重力掉落[2]。根據(jù)圖3電磁吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)，用SolidWorks軟件建立電磁吸盤(pán)的三維模型，如圖4所示。

圖3 電磁吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

圖4 電磁吸盤(pán)

根據(jù)磁通連續(xù)性原理[3]，材料的磁通密度越大，所用的材料越少；矯頑力越小，在斷電后，材料剩磁越少，使工件越容易卸載。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，軟磁材料符合這種要求，因此選用DT4純鐵作為電磁吸盤(pán)的鐵芯、磁吸頭、磁軛的材料。吸盤(pán)整體長(zhǎng)200 mm，寬100 mm，高100 mm。

4 電磁吸盤(pán)的力學(xué)特性分析

由電磁學(xué)理論可知[4]，對(duì)于螺線管電磁鐵，電磁吸力為

(1)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，根據(jù)μ0=4π×107H/m計(jì)算； ?為鐵芯回路和非工作間隙上總磁壓降系數(shù)，其值與磁路中的漏磁大小有關(guān)，—般取值0.15～0.5；iN為電磁激勵(lì)安匝數(shù)；δ為氣隙大小，通電吸取時(shí)磁吸頭與工件之間的距離；S為有效工作氣隙磁通面積,

由式(1)可知，磁系磁路和有效磁通面積在電磁吸盤(pán)結(jié)構(gòu)確定后隨之確定，電磁吸力的大小主要可以通過(guò)調(diào)節(jié)安匝數(shù)來(lái)改變電磁吸引力，氣隙的大小雖能夠影響電磁力的大小，但在設(shè)計(jì)吸盤(pán)結(jié)構(gòu)時(shí)通過(guò)減小氣隙和增加安全余量可以消除氣隙的影響。

4.1 防撞梁在吸起時(shí)受力分析

為便于分析，對(duì)吸盤(pán)模型和支架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并假定所有受力作用于支架的質(zhì)心上，電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)在平面磁吸頭處分布均勻；由于支架沿中心線對(duì)稱，在y軸線方向上支架所受電磁力為零。

對(duì)支架受力分析如圖5，由牛頓第二定律可得：

Fm支=2Fm1；Fm支-G支=m支a；G支=m支g=0.75 kg×9.8 m/s2=7.35 N，故在此過(guò)程中，F(xiàn)m支>7.35 N。

對(duì)圓管受力分析如圖6，由牛頓第二定律可得：

Fm柱-G柱=m柱a；G柱=m柱g=2.25 kg×9.8m/s2=22.05 N，故在此過(guò)程中，F(xiàn)m柱>22.05 N。

圖5 支架吸起受力分析圖

圖6 圓管吸起時(shí)受力分析

4.2 防撞梁在搬運(yùn)時(shí)受力分析

由于裝夾臺(tái)的高度和放料臺(tái)的高度不同，為了避免手爪在搬運(yùn)過(guò)程中和裝夾臺(tái)相撞，故不管是吸取支架之后還是吸取圓管之后，手爪的位姿都會(huì)從豎直位置運(yùn)動(dòng)到水平位置，手爪做四分之一圓周運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中產(chǎn)生向心力，工件的受力發(fā)生變化。應(yīng)當(dāng)分別分析此過(guò)程中工件的受力情況。

手爪在豎直位置時(shí)受力分析如下。

(1)對(duì)支架受力分析如圖7。

Fm支=2Fm1；Fm支-G支=m支R?2。

(2)對(duì)圓管受力分析如圖8。

圖7 支架搬運(yùn)時(shí)受力分析

圖8 圓管搬運(yùn)時(shí)受力分析

Fm柱-G柱=m柱R?2，其中，R為設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)腕部和手部的總長(zhǎng)，即R=L5+L6=1 120 mm；?為第四關(guān)節(jié)定義角速度，?=1.5 rad/s 。 解得:Fm支=9.24 N；Fm柱=27.72 N。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，吸取支架的總電磁吸力至少為9.24 N。同時(shí)，為了防止一次吸起2片支架，總電磁吸力又必須小于14.7 N。同理，吸取圓管的總電磁吸力至少為27.72 N，又必須小于44.1 N。此時(shí)計(jì)算所得的數(shù)值為手爪的總的電磁吸力，1個(gè)手爪對(duì)稱安裝2個(gè)電磁吸盤(pán)，故每個(gè)電磁吸盤(pán)的吸力范圍為13.86～22.05 N。

支架和圓管焊接后要被一起吸起下料，需克服防撞梁總質(zhì)量3.75 kg，需要至少為36.75 N的力。由前面計(jì)算得知，手爪的總電磁吸力要求范圍為：弧面吸盤(pán)吸力27.72～44.1 N，因此手爪弧面吸盤(pán)需要的總吸力范圍為36.75～44.1 N。

5 電磁吸盤(pán)的電磁分析

電磁吸盤(pán)空間磁場(chǎng)的合理性將直接影響到電磁吸力的大小和磁能利用率[5]。因此，需要用Maxwell

表1 電磁吸盤(pán)選用材料表

軟件對(duì)電磁吸盤(pán)進(jìn)行磁場(chǎng)分布分析、磁路結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和安匝數(shù)的確定。

用SolidWorks軟件建立的電磁吸盤(pán)三維模型轉(zhuǎn)存為*.x-t格式文件，并導(dǎo)入到Maxwell軟件中。根據(jù)表1，在Maxwell軟件中為電磁吸盤(pán)各零件添加材料屬性。設(shè)置求解器類(lèi)型為靜態(tài)電磁分析，激勵(lì)源安匝電流為100 A(整個(gè)繞組的安匝數(shù))，邊界條件為氣球邊界條件，求解域值設(shè)置為50，網(wǎng)格大小設(shè)定為5 mm，自動(dòng)劃分網(wǎng)格。模型檢測(cè)無(wú)誤后求解計(jì)算，并分析各個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布狀況。

5.1 平面吸盤(pán)吸取支架時(shí)磁場(chǎng)分析

圖9為平面吸盤(pán)吸取支架時(shí)的磁場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出，磁場(chǎng)均勻分布在平面吸盤(pán)的鐵心周?chē)矣蓛?nèi)而外逐漸減小。磁感線從磁吸頭出來(lái)，有一部分穿過(guò)工件且通過(guò)兩側(cè)的磁軛通路回到電磁鐵內(nèi)，磁場(chǎng)形成閉合回路，但也有一小部分在工件中的磁傳到鐵皮外殼中，并沿外殼回到工件進(jìn)而回到磁吸頭及鐵芯中。吸盤(pán)幾乎沒(méi)有漏磁，因此磁能利用率極高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

進(jìn)一步研究分析平面磁吸面吸附支架的磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布情況，輸出曲線如圖10所示。由圖10 可知：60～140 mm之間為弧面吸盤(pán)磁場(chǎng)強(qiáng)度，0～60 mm和140～200 mm之間為2個(gè)平面吸盤(pán)，曲線形狀大致相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度大致相同，總體而言，磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足要求，磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。此時(shí)平面吸盤(pán)的總電磁吸力為13.012 N。在吸起和搬運(yùn)支架需要的電磁力的范圍9.24～14.7 N內(nèi)。基于吸起和搬運(yùn)支架所需最小電磁力9.24 N，再增加40%的安全余量，得出的電磁力為12.936 N，與13.012 N非常接近，故可選用13 N作為電磁力，此時(shí)安匝數(shù)為100 A，可滿足上下料的要求。

圖9 平面吸盤(pán)磁場(chǎng)分布云圖

圖10 磁吸頭與支架間磁場(chǎng)分布曲線

5.2 弧面吸盤(pán)吸取圓管磁場(chǎng)分析

激勵(lì)源安匝電流為200 A(整個(gè)繞組的安匝數(shù))，其余求解條件與吸取支架設(shè)置相同。求得磁場(chǎng)分布云圖如圖11所示。由圖11可知，磁場(chǎng)充滿整個(gè)弧面吸盤(pán)，磁場(chǎng)對(duì)稱均勻分布，沒(méi)有漏磁現(xiàn)象，磁能利用率極高。磁場(chǎng)中最大磁場(chǎng)強(qiáng)度分布在鐵芯內(nèi)部?jī)蓚?cè)，其數(shù)值為2.201 0 T。進(jìn)一步精確研究圓管周邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布情況，輸出弧面磁場(chǎng)分布曲線如圖12所示。

圖11 圓弧吸盤(pán)磁場(chǎng)分布云圖

圖12 圓弧面磁場(chǎng)分布曲線

從輸出曲線圖12可知，圓管磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)稱均勻，且中間最小約為75 mT。以豎直中心為軸線，左右分別45°處磁場(chǎng)最強(qiáng)，約為750 mT。此時(shí)圓管受力為18.641 N，即手爪電磁吸力為37.282 N，在吸取和搬運(yùn)圓管所需要的電磁力27.72～44.1 N的范圍內(nèi)。在吸取和搬運(yùn)圓管所需要的最小電磁力27.72 N基礎(chǔ)上增加40%的安全余量得出電磁力為38.8 N，與仿真得出的37.282 N接近，故可選用39 N作為手爪電磁吸力；防撞梁上下料所需要的電磁力為36.75～44.1 N，滿足防撞梁的上下料要求。

6 結(jié)論

根據(jù)汽車(chē)防撞梁的結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)一款既能抓取支架、又能抓取圓管的平面和圓弧組合式電磁吸盤(pán)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出雙吸盤(pán)機(jī)械電磁手爪。通過(guò)分析支架和圓管在被吸起和搬運(yùn)的受力情況，得出支架、圓管及防撞梁上下料所需電磁力范圍，并通過(guò)Maxwell軟件分析整個(gè)吸盤(pán)磁場(chǎng)分布情況及工件和吸盤(pán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，驗(yàn)證吸盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，確定電磁吸力，滿足焊接過(guò)程中的上下料要求。這種平面和弧面組合式的電磁吸盤(pán)可以抓取圓管類(lèi)零件和板類(lèi)零件，避免使用2個(gè)手爪交互式抓取工件，減少了機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，縮短了上下料周期，提高了工作效率。同時(shí)組合式的電磁吸盤(pán)對(duì)于電磁吸盤(pán)結(jié)構(gòu)的多樣性有較好的借鑒性和具有更加廣泛的使用價(jià)值。