程 鵬，倪受東，王小明

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009）

0 引言

近年來我國(guó)汽車市場(chǎng)需求保持了連續(xù)高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，需求總量屢創(chuàng)新高，給汽車配件公司提出了質(zhì)量和效率的難題，因而公司在工廠自動(dòng)化方面往往通過投入機(jī)器人和自動(dòng)化輸送線，來加強(qiáng)管理同時(shí)提高生產(chǎn)效率。目前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但是必須要設(shè)計(jì)一套符合于各專業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械手和配套的夾具。為了提高機(jī)器人的效率和使用壽命，在滿足作業(yè)要求的前提下，減輕機(jī)械手的重量，提高機(jī)械手的性能是目前研究機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元法在機(jī)械手的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面得到了越來越多的應(yīng)用。

基于現(xiàn)場(chǎng)考查和綜合各方面的要求，先是以經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)了一套符合該公司生產(chǎn)的機(jī)械手和裝卸工件的快速夾具用來投入工廠生產(chǎn)輸送線，然后利用有限元對(duì)設(shè)計(jì)中的重要部件進(jìn)行了應(yīng)力分析，校核了強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕了機(jī)器人的負(fù)載。

1 機(jī)械手的作業(yè)要求和結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械手的作業(yè)要求

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝，機(jī)械手需要抓取一個(gè)卡盤，卡盤上裝夾8個(gè)工件，然后通過設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行作業(yè)，工件的快速裝夾和拆卸通過快速夾鉗連接一個(gè)卡塊，利用快速夾鉗死點(diǎn)位置卡住工件上端的槽來固定工件的位置，卡盤是放在如圖1所示的自動(dòng)輸送線的小車上，在規(guī)定的自動(dòng)生產(chǎn)線區(qū)域快速裝夾和拆卸工件，卡盤在小車上的定位通過小車底盤的定位銷和卡盤的定位孔配合。當(dāng)小車到達(dá)機(jī)器人的作業(yè)位置，通過視覺檢測(cè)模塊反饋信號(hào)給機(jī)器人，使其末端機(jī)械手調(diào)整到正確的位姿，然后通過機(jī)械手的氣缸實(shí)現(xiàn)夾緊或松開夾具。

圖1 機(jī)械手和卡盤整體圖

1.2 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)

ABB提供的IRB6640型機(jī)器人如圖2所示，其敏捷的動(dòng)作能夠在重載下實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍的生產(chǎn)要求，其末端力學(xué)性能如圖3所示。

在滿足高性能要求的同時(shí)，其緊湊型，輕量化的設(shè)計(jì)大大減少了安裝難度和占地面積，基于此機(jī)器人的末端設(shè)計(jì)了執(zhí)行抓取圖1所示夾具的機(jī)械手，機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 ABB工業(yè)機(jī)器人IRB6640型

圖3 機(jī)器人末端力學(xué)性能

圖4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)校核和有限元分析

2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)和受力分析

根據(jù)機(jī)械手和夾具的整體裝配圖，把機(jī)器人第六軸末端的承載分成三部分，如圖5所示，第一部分是末端到機(jī)械手底面的高度H1=167mm，總半寬L1=183mm,承載機(jī)械手的重量30kg,第二部分是末端到卡盤底面的高度H2=292mm,總半寬L2=500mm, 承載卡盤的重量27kg,第三部分是機(jī)器人末端到工件末端高度H3=684mm，總半寬為L(zhǎng)3=327mm,承載8個(gè)工件的的總重量8×5kg=40kg，根據(jù)圖3機(jī)器人末端的力學(xué)性能，得出完全符合機(jī)器人末端力學(xué)要求。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖5 機(jī)械手末端承載尺寸示意圖

圖6 機(jī)械手受力示意圖

機(jī)械手在夾緊卡盤后，會(huì)受到卡盤的夾緊反力F3，F(xiàn)4，汽缸為帶有雙直線軸承，其缸徑為63mm，在使用壓力0.6MPa條件下，夾緊力為1682N,推力為1870N，為了減少氣缸由于F1,F2,F3,F4引起的彎矩，在氣缸與手爪之間安裝了直線軸承，減小機(jī)械手手爪的變形。為了增加夾緊力，減小機(jī)械手承受卡盤和工件的重力，在手爪的側(cè)面安裝了彈性橡膠來增大摩擦力?？ūP和工件的重量大約為67kg，夾取卡盤需要的摩擦力均分到兩邊的手爪，一邊手爪Nf335≥，摩擦系數(shù)取u=0.3，卡盤承受正壓力 N = f/u ≥1117N ，雖然機(jī)械手會(huì)旋轉(zhuǎn)，但是其由于向心加速度引起的離心力消耗在機(jī)械手的定位銷上以及切向加速度引起的慣性力消耗在4個(gè)軸承上，因此，作為機(jī)械手的關(guān)鍵部位手爪在自轉(zhuǎn)時(shí)可以在靜態(tài)下進(jìn)行受力分析，機(jī)械手手爪承受的夾緊反力以1682N來計(jì)算，當(dāng)夾緊力不足1117N時(shí)，卡盤有所下滑，手爪底部承受部分重力F1和F2，手爪以最大受力335N來計(jì)算，此時(shí)氣缸沒有到達(dá)預(yù)設(shè)位置，傳感器沒有感應(yīng)到相應(yīng)的磁環(huán)，因此氣缸可能泄漏或氣壓不足，會(huì)報(bào)警顯示。

2.2 機(jī)械手手爪的有限元分析

因SoildWorks軟件有其強(qiáng)大的建模功能，而ANSYS軟件有其強(qiáng)大的分析功能，且兩種軟件有很好的兼容性，在SoildWorks軟件中把模型轉(zhuǎn)化為x_t的格式導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用soild187實(shí)體單元，機(jī)械手爪材料為Q235鋼，彈性模量E=206GPa，泊松比u=0.25-0.3，碳鋼，銅，鋁的塑形材料通常以屈服形式失效，宜采用第三第四強(qiáng)度理論校核，而第三和第四相比，第三強(qiáng)度理論偏于保守，本文采用的第三強(qiáng)度理論。根據(jù)ANSYS軟件分析，如圖7所示，從輸出的應(yīng)力圖可以看出應(yīng)力最大為247MPa，超過了材料的屈服極限235MPa，最大位移為0.423mm，在鋼材的彈性形變范圍內(nèi)，因此不做結(jié)構(gòu)改進(jìn)不能滿足應(yīng)力要求。

圖7 機(jī)械手應(yīng)力變形圖

3 機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)械手爪的最大應(yīng)力主要分布在中間的2個(gè)孔，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，該孔需要連接直線軸，因此不能去除，為了保持手爪的直線運(yùn)動(dòng)，減小因變形導(dǎo)致直線軸承的受力增大，最后導(dǎo)致軸承失效，故在手爪上加了4條筋，應(yīng)力和變形圖如圖8所示，最大應(yīng)力為195MPa，最大變形為0.172mm，雖然最大應(yīng)力和變形都減小了，但是最大的應(yīng)力仍然集中在孔的下部，因此在孔的下部又增加了筋，增加了應(yīng)力集中部位的強(qiáng)度，然后通過ANSYS分析，得到如圖9所示的結(jié)果，最大應(yīng)力為131MPa，最大變形為0.0693mm，通過優(yōu)化大大減小了應(yīng)力和變形。

圖8 機(jī)械手優(yōu)化一應(yīng)力變形圖

圖9 機(jī)械手優(yōu)化二應(yīng)力變形圖

4 結(jié)束語

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同要求去改變機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，機(jī)械手在自轉(zhuǎn)時(shí)要考慮動(dòng)態(tài)載荷，盡量在設(shè)計(jì)時(shí)減少或避免動(dòng)態(tài)載荷，動(dòng)態(tài)中的機(jī)械手受力往往是變化的，有時(shí)會(huì)對(duì)關(guān)鍵部件造成破壞，因此本文通過設(shè)計(jì)機(jī)械手的中間銷用來承載動(dòng)態(tài)載荷，使手爪在作業(yè)中盡量發(fā)揮最大的夾緊力，使得機(jī)械手夾緊可靠，通過加強(qiáng)筋對(duì)機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小應(yīng)力和變形，提高了機(jī)械手的工作效率，在減小手爪變形的同時(shí)，延長(zhǎng)了軸承的使用壽命，從而對(duì)以后的機(jī)械手設(shè)計(jì)起到了指引作用。

[1] 芮執(zhí)元,馬占義,鋁錠碼垛機(jī)械手框架的應(yīng)力分析與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010.

[2] 劉俊.高樂.范永威.搬磚機(jī)械手的動(dòng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011.

[3] 張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 李成偉,貧超.碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009.

[5] 楊可楨,程光蘊(yùn),李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006.