自動上下料機械手運動學分析及仿真

崔杰生，任 飛

（西京學院，陜西 西安 710123）

1 自動上下料機械手系統(tǒng)功能分析

自動上下料機械手的主要功能是在機床制造過程中提高自動化操作的程度，替代部分人為操作環(huán)節(jié)，如放料、取料和送料等。因此自動上下料機械手需要具備連續(xù)運行、價格成本較低、承載能力良好、精準度高、響應速度快等特點。上料機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。自動上下料機械手的具體功能如下：一是上料機械手將材料從原料堆中傳送到?jīng)_床模具進行沖壓處理；二是下料機械手將成型的物料傳送到成品堆中；三是自動上下料機械手的沖壓系統(tǒng)將生產(chǎn)節(jié)奏控制在8次/min；四是自動上下料機械手的整體結構設計科學合理，運行安全可靠，噪聲控制在標準范圍內(nèi)；五是自動上下料機械手系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作與人工手動操作的功能切換。

2 自動上下料機械手結構分析

文章對直角坐標機械手進行分析，上料機械手具有伸縮和上下移動的兩個自由度，下料機械手具有旋轉(zhuǎn)和上下移動的兩個自由度。自動上下料機械手的性能與操作穩(wěn)定性受到移動關節(jié)、端拾器、旋轉(zhuǎn)關節(jié)等結構的影響。在研究過程中可將其簡化視為一種剛體杠桿機構。

文章設計的自動上下料機械手在工作時具有相對較小的額定負載，旋轉(zhuǎn)軸、上下軸、擺動軸和伸縮軸等系統(tǒng)需要動態(tài)特定好，傳動功率相對比較大，一次將驅(qū)動設計為交流伺服電機。

上料機械手主體結構為方形鋼焊接形成，高度為1 000 mm，寬度和長度為730 mm。機架頂部為固定板，安裝上料機械手的上下軸、取料機構加工孔和相關零部件，如直線軸承安裝板、支撐板等。下料機械手的主體結構包括底架、上下軸和旋轉(zhuǎn)軸等。

3 自動上下料機械手運動學分析

在探究自動上下料機械手的運動學坐標系時，以GB/T16977-2005《工業(yè)機器人 坐標系和運動命名原則》相關規(guī)定內(nèi)容為基礎?！皣@平行于X、Y和Z軸線轉(zhuǎn)動時的定義分別為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的方向為正方向?！?/p>

3.1 位姿數(shù)學表示

①位置表示。依據(jù)笛卡爾右手法則構建直角坐標系{M}，表示方法為3＊1的向量，在此空間中的任意一點均可以使用指標表示出來坐標系中的具體位置。②方位表示。對自動上下料機械手運動學分析時，會對機械手末端位置與姿態(tài)進行分析。構建兩個具有關聯(lián)關系的坐標系，通過物體的坐標系{N}坐標軸單位矢量相對{M}的方向余弦形成矩陣，與物體坐標系相對{M}相對應的三個坐標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N在基礎坐標系中的完整位置，需要先建立坐標系{N}，以物體特征點為坐標系原點，隨后對原點在基礎坐標系中的位姿，用代表位置，用代表姿態(tài)，進而得到相關公示來表示。

3.2 運動學分析

在運動學分析時，主要對上料機械手的移動速度、位移、位置變量以及加速度等參數(shù)求解。上料機械手在運行期間進行直線云頂，上下軸與伸縮軸之間并不存在聯(lián)動關系，因此只需要對其運動位置分析，不需要對姿態(tài)情況分析。在忽視安裝誤差的條件下，上料機械手各部件Z軸處于平行狀態(tài)，所以利用矢量法對運動傳遞過程進行分析。

基于GB/T 12644-2001《工業(yè)機器人 特性表示》內(nèi)容顯示，X軸方向由原點指向機器人工作空間中心點在機座安裝面上的投影。當由于機器人的構造不能實現(xiàn)此約定時，X軸的方向可由制造廠規(guī)定?；诖藰藴剩紫葮嫿ㄉ狭蠙C械手的本體坐標系O-xyz，將上料機械手上下軸電機和安裝板接觸點作為原點，構建局部坐標系O1-x1y1z1，將上料機械手伸縮軸滾珠螺母和大臂接觸面作為原點，構建局部坐標系O2-x2y2z2，以端拾器頂部位置作為原點，構建局部坐標系O3-x3y3z3。這三個局部坐標系會隨著機械手運動發(fā)生變化。

對端拾器坐標進行求解就是運動學正解問題，自動上下料機械手的各部件結構參數(shù)已知，對各運動關節(jié)變量進行分析，以此分析計算端拾器對機械手本體坐標系的姿態(tài)和位置。即通過O1和O2坐標系情況求解原點坐標O3的位置坐標。

基于電機轉(zhuǎn)速w能夠?qū)χ袧L珠絲杠移動距離進行計算分析，計算公式為：

上下軸上電機帶動滾珠絲杠移動位移為：

伸縮軸上電機帶動滾珠絲杠移動位移為：

其中，t代表電機轉(zhuǎn)動時間；p代表滾珠絲杠導程；i代表電機到同步帶輪的傳動比。

此時，局部坐標系O1-x1y1z1的原點坐標為：

局部坐標系O2-x2y2z2的原點坐標為：

局部坐標系O3-x3y3z3的原點坐標為：

其中，a1、b1、c1代表初始位置時上下軸電機與機械手本體坐標系的安裝距離；a2、b2、c2代表初始位置時伸縮軸關注螺母相對電機的安裝距離；a3、b3、c3代表初始位置時端拾器頂部位置相對滾珠螺母的安裝距離。

通過上述公式即可獲取到上下料機械手端拾器末端位置的空間位置坐標。

4 自動上下料機械手仿真分析

4.1 模型簡化

將自動上下料機械手導入軟件系統(tǒng)中建立模型，為進一步簡化模型仿真分析操作，需要先進行適當?shù)暮喕幚怼Ｎ恼略谀Ｐ秃喕瘯r主要對以下幾方面考慮分析：①對結構中非承載部位的圓角、小孔和凸臺等忽略分析。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構。④將伺服電機和減速機視為實心結構，僅分析外觀形狀和尺寸。

4.2 材料屬性配置

結構材料屬性對于結構性能具有重要影響，在仿真分析過程中需要對材料屬性進行分析，包括泊松比、彈性模量和材料密度等，基于具體設計的材料種類和型號對各項參數(shù)進行最終確定。

4.3 有限元網(wǎng)格劃分

此環(huán)節(jié)就是構建模型的過程，利用網(wǎng)格劃分將實體模型分成多個單元，各單元之間形成節(jié)點。在分析計算的過程中實體模型并不進行計算，而是對離散化后的有限元模型分析，在實體邊界上施加的載荷與約束都轉(zhuǎn)換為模型節(jié)點和單元的求解分析。在網(wǎng)格劃分時需要結合模型實際情況對網(wǎng)格劃分密度科學設計。

4.4 約束和載荷添加

約束和載荷添加的合理性與科學性會直接影響到最終仿真模擬的結果，因此在添加時需要對假定內(nèi)容進行優(yōu)化設計，盡可能確保其與實際情況相符合。約束和載荷添加時可進行適當?shù)暮喕c等效。文章在分析時主要對結構最大載荷情況分析。

4.5 求解、結果分析

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

在仿真分析時主要對上料機械手的各部件受力情況進行研究，其中包括以下幾部分：

①機架上固定板。文章設計的上料機械手手臂主體材料為鋁合金6061-T4，其余位置材料設置為軟件默認材料Structural Steel，在ANSYS軟件中設置材料的各項性能參數(shù)。固定板網(wǎng)格節(jié)點有28 890個，單元有14 730個。添加約束與載荷后對其具體情況分析，最大變形為0.009 mm，最大應力在升降機構光桿連接處，應力大小為1.06 MPa。由此能夠得出結論，上固定板的最大應力值與最大變形均比較小，符合標準規(guī)范。②對接送料機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安裝位置，最大變形是0.4 mm，最大應力在升降機構與大臂連接處，為17.6 MPa，符合標準規(guī)范。③對機械手的機架仿真分析，其最大變形在機架頂部橫梁中間位置，最大變形是0.02 mm，最大應力在最大變形橫梁與其他橫梁交點位置，為8.4 MPa，符合標準規(guī)范。

5 結論

文章結合數(shù)控機床機械手加工系統(tǒng)的功能需求，設計了一種自動上下料機械手，為進一步探究其在實際生產(chǎn)中的應用情況，構建了自動上下料機械手的運動學模型，并通過仿真分析其實際應用效果?；诜抡娼Y果能夠得知，文章設計的自動上下料機械手能夠在工作空間內(nèi)實現(xiàn)自動化上下料操作，具有顯著的可行性。