李克鋒

南陽(yáng)醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校（南陽(yáng) 473000）

隨著世界工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)的生產(chǎn)線均在朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，中國(guó)的食品包裝行業(yè)大部分還在依靠人工，尤其是上料拾放這種重復(fù)性的勞動(dòng)，依靠人工不僅工作強(qiáng)度大，而且衛(wèi)生不能保證，所以急需一種高速、穩(wěn)定的拾放機(jī)器人來(lái)代替人工[1-2]。并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速動(dòng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，非常適用于拾放工序，因此設(shè)計(jì)一種三自由度并聯(lián)機(jī)器人用于方形塊狀食品上料工序的拾放，并對(duì)其模態(tài)作了分析。

1 機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

由于方形塊狀食品的上料工序，塊狀食品只可能有X、Y、Z3個(gè)方向的平動(dòng)，而沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能完成X、Y、Z3個(gè)方向平動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人就能夠適用于此工序。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此并聯(lián)機(jī)器人主要由靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鉸鏈及末端執(zhí)行器組成[6-8]。運(yùn)動(dòng)鉸鏈與靜平臺(tái)之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，與動(dòng)平臺(tái)通過(guò)球面副連接。驅(qū)動(dòng)元件采用伺服電機(jī)，3臺(tái)相同的伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)3根運(yùn)動(dòng)鉸鏈，使其各自繞靜平臺(tái)作擺動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)鉸鏈與動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副傳遞到末端執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在X、Y、Z3個(gè)方向的平動(dòng)。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)沁B接動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)的關(guān)鍵部件，且將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給動(dòng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在X、Y、Z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。它主要由主動(dòng)臂、從動(dòng)臂和虎克鉸組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主動(dòng)臂與裝在靜平臺(tái)上的伺服電機(jī)相連，從動(dòng)臂通過(guò)虎克鉸與動(dòng)平臺(tái)相連，主動(dòng)臂與從動(dòng)臂之間也通過(guò)虎克鉸連接[9]，從動(dòng)臂由兩根等長(zhǎng)的直桿組成，直桿與上下連接的虎克鉸組成平行四邊形，此結(jié)構(gòu)能夠保證末端執(zhí)行器只可以做X、Y、Z方向的平動(dòng)，而不能作繞3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)器人一般在較高的工作速度下運(yùn)動(dòng)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定主動(dòng)臂在一定范圍內(nèi)繞靜平臺(tái)做擺動(dòng)[10-11]，如若主動(dòng)臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中超過(guò)設(shè)定的動(dòng)范圍，會(huì)與靜平臺(tái)發(fā)生碰撞，對(duì)機(jī)構(gòu)造成損害，所以為了避免主動(dòng)臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中超過(guò)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)范圍，一般會(huì)設(shè)計(jì)軟限位和硬限位，軟限位是在靜平臺(tái)上裝有接近式傳感器，在主動(dòng)臂上裝有感應(yīng)片，主動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，感應(yīng)片會(huì)觸發(fā)傳感器，從而發(fā)射信號(hào)使主動(dòng)臂停止運(yùn)動(dòng)，硬限位是機(jī)械限位，它是裝在靜平臺(tái)上的橡膠柱，主動(dòng)臂碰上時(shí)會(huì)起緩沖作用，并能強(qiáng)制主動(dòng)臂停止運(yùn)動(dòng)，從而起到避免主動(dòng)臂與靜平臺(tái)發(fā)生碰撞的作用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是機(jī)器人的執(zhí)行部件，如果設(shè)計(jì)不合理會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成損害，氣動(dòng)吸盤(pán)具有成本低、易使用、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于抓取塊狀食品等輕量的產(chǎn)品。氣動(dòng)吸盤(pán)一般有2種形式：帶緩沖的和不帶緩沖的，由于塊狀食品屬于易損壞部件，所以選用帶緩沖的氣動(dòng)吸盤(pán)。其原理如圖4所示，吸盤(pán)通過(guò)通氣孔與氣動(dòng)設(shè)備相連，吸盤(pán)接觸到工件時(shí)，氣動(dòng)設(shè)備通過(guò)通氣管將吸盤(pán)內(nèi)的氣體抽走，使吸盤(pán)內(nèi)形成真空，內(nèi)外壓力差會(huì)使工件被吸附在吸盤(pán)上，機(jī)器人將工件運(yùn)送到指定位置時(shí)，氣動(dòng)設(shè)備通過(guò)通氣孔往吸盤(pán)內(nèi)充氣，內(nèi)外壓力差變小，工件在重力作用下與吸盤(pán)分離。

吸盤(pán)的選取一般根據(jù)吸附力大小及口徑大小，而這2個(gè)尺寸又與搬運(yùn)工件的尺寸及質(zhì)量有關(guān)，所以可以根據(jù)工件的尺寸及質(zhì)量選取氣動(dòng)吸盤(pán)，及與之相配的氣動(dòng)設(shè)備。

圖4 緩沖氣動(dòng)吸盤(pán)原理圖

3 機(jī)器人的模態(tài)分析

模態(tài)分析理論是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的，它是在阻抗與導(dǎo)納的感念上吸收振動(dòng)分析及數(shù)據(jù)處理等知識(shí)形成的，對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)態(tài)特性，得到其固有頻率和陣型，從而得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理的地方，并可以有根據(jù)地加以改正[12]，該節(jié)利用ANSYS軟件的Workbench軟件對(duì)機(jī)構(gòu)做模態(tài)分析。

3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

把并聯(lián)機(jī)器人看成是一個(gè)由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，而且它是一個(gè)復(fù)雜多自由的系統(tǒng)，描述多自由度系統(tǒng)的離散振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為[13-14]：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{x}為加速度響應(yīng)向量，{x}為速度響應(yīng)向量，{x}為位移響應(yīng)向量。{F(t)}為激振力向量，由于機(jī)器人的模態(tài)分析是不受外力的自由振動(dòng)，所以{F(t)}=0。

在不考慮阻尼的情況下，系統(tǒng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即{x}=Xsin(ωt)，設(shè)系統(tǒng)矩陣S=M-1K，經(jīng)過(guò)計(jì)算整理可得：

可得方程有N個(gè)解ωi（i=1, 2,L,n），也就說(shuō)系統(tǒng)有N個(gè)固有頻率，而對(duì)于一個(gè)多自由度的系統(tǒng)，固有頻率對(duì)系統(tǒng)的影響隨著階級(jí)增大而減小，所以系統(tǒng)的振動(dòng)特性可以由低階固有頻率有效反映出來(lái)，所以在做模態(tài)分析時(shí)通常對(duì)前六階頻率做分析[15]。

模態(tài)分析可以分為4個(gè)主要步驟，分別是模型建立、施加邊界條件求解、模態(tài)擴(kuò)展以及結(jié)果分析和后處理。

3.2 結(jié)果分析

在Solidworks中建立并聯(lián)機(jī)器人的三維模型，導(dǎo)入到Workbench中，設(shè)置材料屬性、泊松比等參數(shù)，設(shè)定零件的約束及接觸特性、各個(gè)參數(shù)設(shè)定好后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后建立模態(tài)分析項(xiàng)，設(shè)定模態(tài)數(shù)為6。

計(jì)算得到機(jī)器人的前六階的模態(tài)陣型圖及模態(tài)頻率，第一、第六階頻率陣型圖分別如圖5和圖6所示，前六階模態(tài)頻率如圖7所示。由圖7可以得到機(jī)器人在頻率80～121 Hz之間易發(fā)生共振，由陣型圖5和圖6可得，運(yùn)動(dòng)鉸鏈上的球面副即虎克鉸位置變形最大，也就是說(shuō)此位置受振動(dòng)影響最大，易遭到破壞，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)此結(jié)構(gòu)做加強(qiáng)處理，使其剛度增大。另外機(jī)器人在工作時(shí)，應(yīng)使其頻率避開(kāi)89～121 Hz頻率段，從而減小振動(dòng)對(duì)其的影響。

圖5 第一階頻率陣型圖

圖6 第六階頻率陣型圖

圖7 前六階模態(tài)頻率

4 結(jié)論

在分析塊狀食品全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線技術(shù)要求基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種只能夠在X、Y、Z3個(gè)方向作平動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人，介紹其基本結(jié)構(gòu)及主要部件的設(shè)計(jì)，利用ANSYS的Workbench模塊對(duì)機(jī)器人整機(jī)作了模態(tài)分析，得到機(jī)器人頻率80～121 Hz之間易發(fā)生共振，通過(guò)振型圖得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)鉸鏈上的虎克鉸位置最易產(chǎn)生變形，設(shè)計(jì)時(shí)需加強(qiáng)此位置的剛度，為食品包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供一種解決方案，為三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論分析基礎(chǔ)。