柳光濤，鐘佩思，劉大志，丁淑輝

(1.山東科技大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東青島266590;2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061)

數(shù)控機(jī)床［1］是先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，而數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是近年來(lái)高速鈑金加工的一種重要的壓力成型設(shè)備，集機(jī)、電、液、氣于一體，可在板材上進(jìn)行高速?zèng)_孔加工和淺拉深成型，是一種通用、高效率和高精度的沖壓設(shè)備，擁有多個(gè)工位并能實(shí)現(xiàn)快速換模。

隨著我國(guó)沖壓行業(yè)的發(fā)展，板料沖壓設(shè)備性能逐漸與世界接軌，沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化程度得到了進(jìn)一步的提高。在沖壓生產(chǎn)的首道工序中，我國(guó)許多企業(yè)仍然在采用傳統(tǒng)的手工上料方式，這種上料方式不僅生產(chǎn)效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且易發(fā)生人身傷害事故。為提升我國(guó)沖壓生產(chǎn)的自動(dòng)化水平、提高生產(chǎn)效率和改善工人生產(chǎn)勞動(dòng)條件，研發(fā)出與沖壓設(shè)備自動(dòng)化水平相配套的自動(dòng)上料系統(tǒng)具有重要的意義［2－3］。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床組成和工作原理

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動(dòng)分為機(jī)械、液壓。機(jī)械主傳動(dòng)工作原理是主電機(jī)通過(guò)小帶輪帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)離合器/制動(dòng)器的接合或分離，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)滑塊上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊轉(zhuǎn)盤(pán)上所選定的模具對(duì)板材進(jìn)行沖孔或其他成型加工。液壓主傳動(dòng)的工作原理是將液壓系統(tǒng)提供的液壓油通過(guò)電磁換向閥的動(dòng)作，進(jìn)入液壓缸的上下腔，使活塞桿帶動(dòng)滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊模具進(jìn)行沖孔［2－3］。

機(jī)床的工作原理:在機(jī)床沒(méi)有任何報(bào)警的情況下，CNC 執(zhí)行一編好的程序，依照程序指令，X 和Y軸帶著鋼板運(yùn)動(dòng)到?jīng)_頭下，T 盤(pán)將程序中所需模具運(yùn)動(dòng)到?jīng)_頭下，液壓沖頭執(zhí)行對(duì)模具的打擊，完成一次沖壓，然后X 和Y 軸再移動(dòng)一個(gè)位置，沖頭再執(zhí)行一次沖壓，如此往復(fù)，只到一個(gè)程序全部執(zhí)行完畢，退回到上料位置。

2 機(jī)械手總體方案

2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工板材的質(zhì)量達(dá)30 kg，長(zhǎng)度達(dá)500 mm，同時(shí)考慮到數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。機(jī)械手工作布局圖如圖1所示，機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機(jī)械手工作布局圖

圖2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械手腰部底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

考慮到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終定位精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。不僅因其精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及輔助元件?？紤]到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求［4］，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。腰部底座具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 腰部底座具體結(jié)構(gòu)圖

2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手有大臂升降和小臂旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。考慮到搬運(yùn)工件的質(zhì)量較大，屬中型質(zhì)量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求，所以大臂驅(qū)動(dòng)選擇氣動(dòng)傳動(dòng)方式，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。小臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)控制。

同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸不能太大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，盡量增加其剛度;為減小質(zhì)量，導(dǎo)桿采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性。

2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)的具體要求，在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、降低控制的難度，設(shè)計(jì)的手腕不增加自由度，但手部要增加真空吸附輔助裝置。具體的手部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 手部板料抓取裝置簡(jiǎn)圖

2.5 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

具體到該設(shè)計(jì)，由于氣壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件，故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差;同時(shí)大大增大扭矩，較大程度上降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。

2.6 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

具體到該設(shè)計(jì)，在分析具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn);大臂采用氣壓驅(qū)動(dòng)，小臂采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手部的端拾器因?yàn)橐婵瘴?，采用氣壓?qū)動(dòng)。

2.7 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿(mǎn)足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。

3 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上料助力機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)研究

該設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于:(1)機(jī)器人設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單，操作靈活，實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境條件下的助力效果，而且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;(2)手部采用真空吸附裝置技術(shù)，很好地完成對(duì)板材的抓取，實(shí)現(xiàn)上下料。

定位策略，考慮以下加工條件［5］:(1)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在初次裝夾時(shí)，定位銷(xiāo)使板材左側(cè)邊靠近工作臺(tái)左邊緣，即板材左側(cè)邊在工作臺(tái)之內(nèi)，取板材左下角位置為加工坐標(biāo)的原點(diǎn);(2)定位只按x 軸正方向進(jìn)行;(3)兩夾鉗由一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置控制，不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。所以采用的設(shè)計(jì)是當(dāng)板材在工作臺(tái)正上方時(shí)夾鉗上的光傳感器開(kāi)始定位移動(dòng)，定位完成后將板材放下完成裝夾。

(1)有限元分析

在助力機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除考慮強(qiáng)度問(wèn)題外，還要考慮剛度問(wèn)題［6］，即機(jī)械手在抓起板材后，手臂受力會(huì)產(chǎn)生變形，要使機(jī)械手滿(mǎn)足位置精度要求，必須控制機(jī)械手手臂在受力后的變形值，使它在允許范圍內(nèi)。文中采用有限元法。

助力機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有一個(gè)受力最危險(xiǎn)、變形最大的狀態(tài)，是機(jī)械手搬運(yùn)板材放到工作臺(tái)時(shí)，重力力臂達(dá)到最大值，各臂處于受力最大狀態(tài)，確定其為分析工況。

載荷分為3 個(gè)部分:第一部分是機(jī)械手除底座外所有零部件的重力，包括大小臂及末端真空吸附裝置;第二部分是板材重力施加到各臂和底座上，板材重力為300 N。第三部分是底座自重，約束為一端固定，另一端施加反力及彎矩。

將建立好的助力機(jī)械手模型導(dǎo)入ANSYS 中，設(shè)定材料屬性:彈性模量E = 210 GPa，泊松比λ =0.26，密度ρ=7 800 kg/m3;單元類(lèi)型:solid187;劃分網(wǎng)格:四面體自由網(wǎng)格劃分。

對(duì)助力機(jī)械手的靜強(qiáng)度分析采用POST1 處理。應(yīng)力等值線可清晰地描述結(jié)果在整個(gè)模型中的變化，并可以快速確定模型中的危險(xiǎn)區(qū)域，等應(yīng)力圖如圖5所示。同時(shí)，等位移圖可以表示出零件各單元的位移變化情況，確定其位移量是否足以影響精度，等位移圖如圖6所示。

最大應(yīng)力值為108 MPa，助力機(jī)械手材料為45號(hào)鋼，最大應(yīng)力值顯然未超過(guò)材料的許用應(yīng)力360 MPa，說(shuō)明該設(shè)計(jì)是合理的，安全系數(shù)1.5 ～2。

分析得出最大位移位于機(jī)械手最右端，最大位移量為0.159 mm，計(jì)算要求位移精度為10 mm，所以位移量符合要求，確保運(yùn)行安全。

圖5 應(yīng)力圖

圖6 位移圖

(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在MATLAB 平臺(tái)下［7－8］，利用Robotics Toolbox建立了助力機(jī)械手的三維仿真模型，拖動(dòng)各滑塊條，改變關(guān)鍵位置，即可瀏覽機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況。

該機(jī)械手構(gòu)建命令如下:

L1 =link(［0 0 pi/2 0 0］，'modified')

L2 =link(［pi/2 280 0 0 0］，'modified')

L3 =link(［0 620 0 pi/2 0］，'modified')

L4 =link(［pi/2 0 0 542.2 0］，'modified')

L5 =link(［－pi/2 0 0 0 0］，'modified')

L6 =link(［pi/2 0 0 0 0］，'modified')

robot=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6})

robot.name='助力機(jī)械手'

robot.base=transl(［0 0 0］)

drivebot(robot)

運(yùn)行上述命令，即可以生成該機(jī)械手的三維仿真圖形，通過(guò)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)圖中的滑塊條或輸入關(guān)節(jié)變量的值，來(lái)改變機(jī)械手末端位姿，從而直觀顯示機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。該助力機(jī)械手的三維仿真圖形如圖7，助力機(jī)械手仿真控制如圖8所示。

圖7 助力機(jī)械手三維仿真圖形

圖8 助力機(jī)械手仿真控制

4 結(jié)論

作者認(rèn)為助力機(jī)械手和數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床組成的單元，能夠完成自動(dòng)上下料，是可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)機(jī)械加工大幅度削減加工成本的、極具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械加工系統(tǒng)。

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