華明明 王文成 石巖 張鐵壁

1、河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心 2、滄州市工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心3、河北科技師范學(xué)院 4、河北水利電力學(xué)院

引言

工業(yè)機(jī)械手現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在汽車、電子、半導(dǎo)體等行業(yè)的生產(chǎn)線上，已經(jīng)成為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要組成部分[1,2]。機(jī)械手在生產(chǎn)線上有顯著的優(yōu)勢(shì)，然而機(jī)械手在玻璃行業(yè)的應(yīng)用較少，磨邊機(jī)的生產(chǎn)線自動(dòng)化程度低，使用人工加工上下片玻璃，生產(chǎn)效率低，危險(xiǎn)較高[3,4]。本論文設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以自動(dòng)完成上下料任務(wù)，快速定位，自動(dòng)檢測(cè)，與磨邊機(jī)的對(duì)接方便穩(wěn)定，提高了磨邊機(jī)的工作效率，代替人工，降低成本。

1 整體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)平板玻璃輸送的工況要求，設(shè)計(jì)的機(jī)械手自動(dòng)上下玻璃系統(tǒng)總體布局方案如圖1 所示，其主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（抓取機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、平移機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、底架四部分組成。機(jī)械手的工作流程如下：抓取機(jī)構(gòu)通過(guò)吸盤真空抓取待加工玻璃，然后經(jīng)過(guò)平移、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作把待加工玻璃放到傳送機(jī)構(gòu)上，傳送機(jī)構(gòu)把玻璃準(zhǔn)確送到磨邊機(jī)進(jìn)行加工，加工完成的玻璃經(jīng)過(guò)傳送機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)放到指定位置。

圖1 總體布局方案示意圖

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為機(jī)械手的重要組成部分，是機(jī)械手完成指定動(dòng)作的關(guān)鍵。機(jī)械手工作過(guò)程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成平移、翻轉(zhuǎn)、抓取玻璃動(dòng)作，最后放到傳送機(jī)構(gòu)上。執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其主要由大臂、小臂、翻轉(zhuǎn)架、軸承法蘭、軸、魚眼接頭、吸盤、真空發(fā)生器、雙層吸盤架組成。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 基于Solidworks/Motion 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 仿真模型創(chuàng)建

執(zhí)行機(jī)構(gòu)中形成的四桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要零部件，通過(guò)三維建模，并用Solidworks Motion 插件分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中四桿機(jī)構(gòu)各支點(diǎn)的反作用力。首先對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行材料指定，在大臂處添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，使用數(shù)據(jù)點(diǎn)定義馬達(dá)，旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化，0 秒到3 秒翻轉(zhuǎn)升，3 秒到6 秒翻轉(zhuǎn)降，然后添加豎直向下的引力，在吸盤架處添加豎直向下1000N 的力，均勻分布在吸盤架的表面，設(shè)定運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為6s，從吸玻璃到放玻璃，即翻轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程，進(jìn)行求解，得到四桿機(jī)構(gòu)各支點(diǎn)的反作用力隨時(shí)間變化的曲線，如圖3 所示。

圖3 各支點(diǎn)反作用力隨時(shí)間變化曲線

3.2 受力最大時(shí)大臂應(yīng)力仿真分析

通過(guò)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)各支點(diǎn)作用力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，可以得知在3 秒時(shí)，機(jī)構(gòu)受力最大，大臂是整體薄弱的零部件，使用剛?cè)狁詈戏治龅姆椒?，分析大臂?.99 秒到3.01 秒運(yùn)動(dòng)過(guò)程所受到的應(yīng)力、位移變化，應(yīng)力和位移云圖如圖4 及圖5 所示。

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 位移云圖

3.3 仿真結(jié)果分析

3 秒時(shí)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)和玻璃垂直于地面，此時(shí)四桿機(jī)構(gòu)受力最大，分析該位置時(shí)大臂處應(yīng)力云圖可以得到，最大應(yīng)力分布在大臂與軸和大臂與小臂鉸接處，為1.308×108N/m2，使用的材料為普通碳鋼，其最大屈服力為2.206×108N/m2，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求，由位移云圖可得，最大變形量為1.95mm，對(duì)整個(gè)大臂結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，所以設(shè)計(jì)符合要求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了機(jī)械手結(jié)構(gòu)并對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作符合要求，通過(guò)仿真分析，執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于3 秒時(shí)，其各部件受力最大，其中大臂受力最大，使用剛?cè)狁詈戏治龅姆椒?，得出大臂的?yīng)力云圖，數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。