崔杰生，任 飛

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

1 自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)功能分析

自動(dòng)上下料機(jī)械手的主要功能是在機(jī)床制造過程中提高自動(dòng)化操作的程度，替代部分人為操作環(huán)節(jié)，如放料、取料和送料等。因此自動(dòng)上下料機(jī)械手需要具備連續(xù)運(yùn)行、價(jià)格成本較低、承載能力良好、精準(zhǔn)度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。上料機(jī)械手能夠完成將物料從原料堆中輸送到模具中線位置的操作過程，下料機(jī)械手能夠?qū)⑽锪蟼魉偷匠善范训牟僮鬟^程，并確保生產(chǎn)節(jié)奏需求。自動(dòng)上下料機(jī)械手的具體功能如下：一是上料機(jī)械手將材料從原料堆中傳送到?jīng)_床模具進(jìn)行沖壓處理；二是下料機(jī)械手將成型的物料傳送到成品堆中；三是自動(dòng)上下料機(jī)械手的沖壓系統(tǒng)將生產(chǎn)節(jié)奏控制在8次/min；四是自動(dòng)上下料機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，運(yùn)行安全可靠，噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；五是自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作與人工手動(dòng)操作的功能切換。

2 自動(dòng)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析

文章對(duì)直角坐標(biāo)機(jī)械手進(jìn)行分析，上料機(jī)械手具有伸縮和上下移動(dòng)的兩個(gè)自由度，下料機(jī)械手具有旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)的兩個(gè)自由度。自動(dòng)上下料機(jī)械手的性能與操作穩(wěn)定性受到移動(dòng)關(guān)節(jié)、端拾器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)的影響。在研究過程中可將其簡化視為一種剛體杠桿機(jī)構(gòu)。

文章設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手在工作時(shí)具有相對(duì)較小的額定負(fù)載，旋轉(zhuǎn)軸、上下軸、擺動(dòng)軸和伸縮軸等系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)特定好，傳動(dòng)功率相對(duì)比較大，一次將驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為交流伺服電機(jī)。

上料機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)為方形鋼焊接形成，高度為1 000 mm，寬度和長度為730 mm。機(jī)架頂部為固定板，安裝上料機(jī)械手的上下軸、取料機(jī)構(gòu)加工孔和相關(guān)零部件，如直線軸承安裝板、支撐板等。下料機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)包括底架、上下軸和旋轉(zhuǎn)軸等。

3 自動(dòng)上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在探究自動(dòng)上下料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系時(shí)，以GB/T16977-2005《工業(yè)機(jī)器人 坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)命名原則》相關(guān)規(guī)定內(nèi)容為基礎(chǔ)?！皣@平行于X、Y和Z軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的定義分別為A、B和C。A、B、C的正向分別以X、Y、Z的正向且以右手螺旋前進(jìn)的方向?yàn)檎较??！?/p>

3.1 位姿數(shù)學(xué)表示

①位置表示。依據(jù)笛卡爾右手法則構(gòu)建直角坐標(biāo)系{M}，表示方法為3＊1的向量，在此空間中的任意一點(diǎn)均可以使用指標(biāo)表示出來坐標(biāo)系中的具體位置。②方位表示。對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)械手末端位置與姿態(tài)進(jìn)行分析。構(gòu)建兩個(gè)具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的坐標(biāo)系，通過物體的坐標(biāo)系{N}坐標(biāo)軸單位矢量相對(duì){M}的方向余弦形成矩陣，與物體坐標(biāo)系相對(duì){M}相對(duì)應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸方向余弦形成矩陣代表其在{M}的方位。

③位姿表示。為明確空間一點(diǎn)N在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的完整位置，需要先建立坐標(biāo)系{N}，以物體特征點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，隨后對(duì)原點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位姿，用代表位置，用代表姿態(tài)，進(jìn)而得到相關(guān)公示來表示。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，主要對(duì)上料機(jī)械手的移動(dòng)速度、位移、位置變量以及加速度等參數(shù)求解。上料機(jī)械手在運(yùn)行期間進(jìn)行直線云頂，上下軸與伸縮軸之間并不存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，因此只需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)位置分析，不需要對(duì)姿態(tài)情況分析。在忽視安裝誤差的條件下，上料機(jī)械手各部件Z軸處于平行狀態(tài)，所以利用矢量法對(duì)運(yùn)動(dòng)傳遞過程進(jìn)行分析。

基于GB/T 12644-2001《工業(yè)機(jī)器人 特性表示》內(nèi)容顯示，X軸方向由原點(diǎn)指向機(jī)器人工作空間中心點(diǎn)在機(jī)座安裝面上的投影。當(dāng)由于機(jī)器人的構(gòu)造不能實(shí)現(xiàn)此約定時(shí)，X軸的方向可由制造廠規(guī)定?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，首先構(gòu)建上料機(jī)械手的本體坐標(biāo)系O-xyz，將上料機(jī)械手上下軸電機(jī)和安裝板接觸點(diǎn)作為原點(diǎn)，構(gòu)建局部坐標(biāo)系O1-x1y1z1，將上料機(jī)械手伸縮軸滾珠螺母和大臂接觸面作為原點(diǎn)，構(gòu)建局部坐標(biāo)系O2-x2y2z2，以端拾器頂部位置作為原點(diǎn)，構(gòu)建局部坐標(biāo)系O3-x3y3z3。這三個(gè)局部坐標(biāo)系會(huì)隨著機(jī)械手運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。

對(duì)端拾器坐標(biāo)進(jìn)行求解就是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問題，自動(dòng)上下料機(jī)械手的各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，對(duì)各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量進(jìn)行分析，以此分析計(jì)算端拾器對(duì)機(jī)械手本體坐標(biāo)系的姿態(tài)和位置。即通過O1和O2坐標(biāo)系情況求解原點(diǎn)坐標(biāo)O3的位置坐標(biāo)。

基于電機(jī)轉(zhuǎn)速w能夠?qū)χ袧L珠絲杠移動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式為：

上下軸上電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)位移為：

伸縮軸上電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)位移為：

其中，t代表電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間；p代表滾珠絲杠導(dǎo)程；i代表電機(jī)到同步帶輪的傳動(dòng)比。

此時(shí)，局部坐標(biāo)系O1-x1y1z1的原點(diǎn)坐標(biāo)為：

局部坐標(biāo)系O2-x2y2z2的原點(diǎn)坐標(biāo)為：

局部坐標(biāo)系O3-x3y3z3的原點(diǎn)坐標(biāo)為：

其中，a1、b1、c1代表初始位置時(shí)上下軸電機(jī)與機(jī)械手本體坐標(biāo)系的安裝距離；a2、b2、c2代表初始位置時(shí)伸縮軸關(guān)注螺母相對(duì)電機(jī)的安裝距離；a3、b3、c3代表初始位置時(shí)端拾器頂部位置相對(duì)滾珠螺母的安裝距離。

通過上述公式即可獲取到上下料機(jī)械手端拾器末端位置的空間位置坐標(biāo)。

4 自動(dòng)上下料機(jī)械手仿真分析

4.1 模型簡化

將自動(dòng)上下料機(jī)械手導(dǎo)入軟件系統(tǒng)中建立模型，為進(jìn)一步簡化模型仿真分析操作，需要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?。文章在模型簡化時(shí)主要對(duì)以下幾方面考慮分析：①對(duì)結(jié)構(gòu)中非承載部位的圓角、小孔和凸臺(tái)等忽略分析。②將不必要的零部件刪除，如螺釘、密封圈和墊圈等。③將螺釘鏈接部件視為一體結(jié)構(gòu)。④將伺服電機(jī)和減速機(jī)視為實(shí)心結(jié)構(gòu)，僅分析外觀形狀和尺寸。

4.2 材料屬性配置

結(jié)構(gòu)材料屬性對(duì)于結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，在仿真分析過程中需要對(duì)材料屬性進(jìn)行分析，包括泊松比、彈性模量和材料密度等，基于具體設(shè)計(jì)的材料種類和型號(hào)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行最終確定。

4.3 有限元網(wǎng)格劃分

此環(huán)節(jié)就是構(gòu)建模型的過程，利用網(wǎng)格劃分將實(shí)體模型分成多個(gè)單元，各單元之間形成節(jié)點(diǎn)。在分析計(jì)算的過程中實(shí)體模型并不進(jìn)行計(jì)算，而是對(duì)離散化后的有限元模型分析，在實(shí)體邊界上施加的載荷與約束都轉(zhuǎn)換為模型節(jié)點(diǎn)和單元的求解分析。在網(wǎng)格劃分時(shí)需要結(jié)合模型實(shí)際情況對(duì)網(wǎng)格劃分密度科學(xué)設(shè)計(jì)。

4.4 約束和載荷添加

約束和載荷添加的合理性與科學(xué)性會(huì)直接影響到最終仿真模擬的結(jié)果，因此在添加時(shí)需要對(duì)假定內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能確保其與實(shí)際情況相符合。約束和載荷添加時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕c等效。文章在分析時(shí)主要對(duì)結(jié)構(gòu)最大載荷情況分析。

4.5 求解、結(jié)果分析

在上述環(huán)節(jié)處理結(jié)束后即可進(jìn)行迭代計(jì)算分析，對(duì)處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使用云圖展示出來，能夠更加清晰直觀的描述仿真結(jié)果。

在仿真分析時(shí)主要對(duì)上料機(jī)械手的各部件受力情況進(jìn)行研究，其中包括以下幾部分：

①機(jī)架上固定板。文章設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手手臂主體材料為鋁合金6061-T4，其余位置材料設(shè)置為軟件默認(rèn)材料Structural Steel，在ANSYS軟件中設(shè)置材料的各項(xiàng)性能參數(shù)。固定板網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)有28 890個(gè)，單元有14 730個(gè)。添加約束與載荷后對(duì)其具體情況分析，最大變形為0.009 mm，最大應(yīng)力在升降機(jī)構(gòu)光桿連接處，應(yīng)力大小為1.06 MPa。由此能夠得出結(jié)論，上固定板的最大應(yīng)力值與最大變形均比較小，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。②對(duì)接送料機(jī)械手臂大臂仿真分析，其最大變形在大臂末端齒形帶輪和電機(jī)安裝位置，最大變形是0.4 mm，最大應(yīng)力在升降機(jī)構(gòu)與大臂連接處，為17.6 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。③對(duì)機(jī)械手的機(jī)架仿真分析，其最大變形在機(jī)架頂部橫梁中間位置，最大變形是0.02 mm，最大應(yīng)力在最大變形橫梁與其他橫梁交點(diǎn)位置，為8.4 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

5 結(jié)論

文章結(jié)合數(shù)控機(jī)床機(jī)械手加工系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)上下料機(jī)械手，為進(jìn)一步探究其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，構(gòu)建了自動(dòng)上下料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過仿真分析其實(shí)際應(yīng)用效果?；诜抡娼Y(jié)果能夠得知，文章設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手能夠在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料操作，具有顯著的可行性。