連接桿自動上料系統(tǒng)設計及其姿態(tài)控制方法研究

胡俊杰，莊宏，周帆，彭福，高碧晗，楊世杰，唐文獻

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

自動化和智能化已成為當前裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是構建智能制造工廠的關鍵技術[1]。目前，在制造自動化和智能化領域，人們關注的熱點問題包括工業(yè)物聯(lián)網、機器視覺、機器人和PLC控制等技術的研究，并致力于在自動上料系統(tǒng)中得到應用[2-4]，以滿足實際應用需求。

對于不同的加工或裝配對象，其自動上料要求也不盡一致。楊曉宇等人[5]開發(fā)了針對石油化工行業(yè)中顆粒物的自動上料系統(tǒng)，趙飛等人[6]針對手工上料困難、效率低等問題，開發(fā)了長棒料車削加工自動上料系統(tǒng)。

針對戶外折疊椅中的空心金屬連接桿與端蓋鉚接過程中存在的人工上料及鉚孔對中精度與效率低等問題，開展連接桿與端蓋自動鉚接工藝流程分析及生產線開發(fā)，其中連接桿自動上料成為關鍵環(huán)節(jié)。由于連接桿重量輕、外形尺寸公差較大，給鉚接工位定位帶來一定困難，因此，提出一種重力碰撞式輕質連接桿上料方法，并通過ADAMS運動仿真分析，以控制連接桿進入儲料箱的姿態(tài)和出料位置精度，滿足連接桿與端蓋自動鉚接工藝要求。

1 連接桿自動上料系統(tǒng)設計

戶外折疊椅空心金屬連接桿與端蓋鉚接體外形如圖1所示。連接桿鉚接后的總長度為382 mm。

圖1 連接桿與端蓋鉚接體外形

該折疊椅連接桿自動化生產線的連接桿上料機械裝置主要由儲料倉、撞擊板、導板斜坡、撥桿、交錯輪、排列箱、摩擦輪、傳送帶、傳送帶連接軸安裝座和上料導板等組成，如圖2所示。在連接桿上料裝置中，交錯輪設置在連接桿上料系統(tǒng)斜面上，減小摩擦力且使連接桿各個部分受到摩擦力基本相同，撞擊板設置于導板斜坡相對處，撥桿設置于撥桿下方，儲料倉出口與排列箱連接，排列箱可以將連接桿排列整齊，排列箱底部設置摩擦輪，排列箱出口處設置傳送帶，傳送帶另一端設置導板斜坡。

圖2 連接桿上料系統(tǒng)

2 落料姿態(tài)控制方法研究

為了連接桿在儲料倉內整齊排列，防止卡料情況發(fā)生，在連接桿儲料倉內建立碰撞模型，完成連接桿在水平和豎直方向上的碰撞校準，以規(guī)整連接桿進入儲料倉的姿態(tài)。

2.1 落料姿態(tài)模型建立

連接桿落料過程實質上一個與料箱的碰撞過程，而其碰撞過程必然導致其姿態(tài)發(fā)生變化。因此，為了實現(xiàn)桿件落料姿態(tài)的控制，可以通過建立碰撞模型對其姿態(tài)進行分析，并完成連接桿的姿態(tài)矯正。連接桿落料碰撞過程包括一次碰撞和二次碰撞，通過第一次碰撞完成水平方向的姿態(tài)矯正，第二次碰撞完成豎直方向的姿態(tài)矯正，分析過程如下。

首先，建立重力模型，分析桿件在儲料箱中得運動，如圖3所示。

圖3 桿件碰撞分析圖

桿件在重力作用下沿斜面滑動，根據牛頓第二定律受力分析可得：

式中，F(xiàn)為桿件收到外力，a為桿件加速度，θ為斜坡夾角，μ為斜面上摩擦系數(shù)。

因為桿件必須在斜板上滑動，a＞0，因此：

然后對桿件兩端速度進行分析，記桿件一段標記為1，另一端標記為2，對桿件第一次碰撞分析，若桿件在第一次碰撞在x方向上進行姿態(tài)矯正，必須在自由落體運動時，水平方向移動得距離為X，由此分析可得：

最后對桿件進行第二次碰撞分析：桿的作用是在進行豎直方向進行碰撞時，提供碰撞平面，當1端在重力作用下與撥桿碰撞時，2端可能仍處于落體運動狀態(tài)，現(xiàn)假設當桿件1端蓋與撥桿相接觸時，桿件2端仍處在斜坡上，對此情況進行分析可得：

聯(lián)立（1）（2）（3）（4）（5）（6）可得：

2.2 連接桿落料動力學建模

采用SOLIDWORKS軟件構件連接桿上料系統(tǒng)三維模型，將模型以Parasolid格式導入ADAMS動力學仿真軟件中，構建其動力學模型，如圖4所示。

圖4 Adams碰撞分析模型建立

所有零件均定義為剛體，并設置材料、密度和轉動慣量等屬性。確定各零部件之間的運動副，見表1。儲料倉、排列箱和傳送帶之間設定固定副，撥桿與儲料倉之間設定轉動副，摩擦輪與排列箱之間設置轉動副，見表2。在連接桿和儲料倉、連接桿和排列箱之間添加接觸力。在連接桿兩端建立Mark點，根據兩端Mark點的位移差判斷連接桿在上料過程中的姿態(tài)矯正情況。

表1 機械系統(tǒng)模型主要運動副信息

表2 機械系統(tǒng)模型主要接觸力信息

2.3 仿真及結果分析

在建立圖4仿真模型的基礎上，在ADAMS環(huán)境中設置仿真模式為交互式仿真，設置分析類型為動力學，標記連接桿的1端為MARKER_1點，連接桿的2端為MARKER_2點，求解MARKER_1點和MARKER_2點的運動軌跡。

設置仿真步數(shù)為500，仿真時長為5 s。設置單個連接桿初始狀態(tài)為與z軸夾角為，得到連接桿兩端X方向、Z方向運動軌跡，如圖5所示。

圖5 連接桿碰撞仿真結果

在初始狀態(tài)下1端和2端在X方向上位移之差為123 mm，碰撞發(fā)生的時間在0.36 s～0.5 s，此時連接桿1端X方向位移保持不變，連接桿2端開始往著1端方向移動，時間在0.5 s時，連接桿1端和2端位移相重合，在X方向上完成姿態(tài)碰撞矯正。如圖5所示。桿件Z方向上以水平姿態(tài)落到導板斜坡上，在0.06 s上在Z方向上產生誤差為12 mm，在0.36 s～0.5 s連接桿1端Z方向位移保持不變，2端開始向著1端移動，完成Z方向上碰撞姿態(tài)矯正，因此在0.36 s～0.5 s內連接桿完成姿態(tài)碰撞矯正，t=0.36 s時，滿足第一次碰撞速度要求，如圖c所示。

實際操作中，會有多個連接桿同時參與碰撞，下面添加五個連接桿，添加連接桿與連接桿之間接觸力，設置仿真步數(shù)為500，仿真時長為5 s，設置兩個連接桿初始狀態(tài)為與z軸方向夾角為，另外三個連接桿初始狀態(tài)為與z軸方向夾角為開始進行仿真，得到曲線，如圖6所示。

圖6 多根連接桿碰撞仿真位移數(shù)據

五個桿件1，2端x方向偏差為66 mm～123 mm，在t=0.1 s后，各個桿件之間x方向位移差值趨向為0 mm，完成x方向碰撞矯正；如圖b所示，t=1.2 s時，各個連接桿1，2端z方向的偏差值趨向0 mm由此，可得到連接桿1，2端進入碰撞模型后，其位移誤差處于收斂狀態(tài)，因此，連接桿上料系統(tǒng)可以完成對連接桿上料過程姿態(tài)矯正，防止卡料情況發(fā)生。

連接桿出料口處質心y方向質心位移偏差最大為18 mm，如圖7所示。由圖7知，其滿足連接桿自動化生產線對連接桿上料位置要求。

圖7 連接桿質心y方向位移

3 結語

在連接桿上料上料系統(tǒng)設計中，連接桿上料系統(tǒng)中連接桿上料動作實現(xiàn)的關鍵在于連接桿姿態(tài)矯正，以及控制連接桿出料位置誤差控制。通過ADAMS仿真分析，單根連接桿和多根連接桿兩端位移軌跡，驗證碰撞模型對于連接桿誤差修正是收斂的；同時，仿真驗證連接桿出料位置誤差滿足連接桿自動化生產線要求。