胡俊杰，莊宏，周帆，彭福，高碧晗，楊世杰，唐文獻(xiàn)

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

自動(dòng)化和智能化已成為當(dāng)前裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是構(gòu)建智能制造工廠的關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前，在制造自動(dòng)化和智能化領(lǐng)域，人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人和PLC控制等技術(shù)的研究，并致力于在自動(dòng)上料系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2-4]，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

對(duì)于不同的加工或裝配對(duì)象，其自動(dòng)上料要求也不盡一致。楊曉宇等人[5]開(kāi)發(fā)了針對(duì)石油化工行業(yè)中顆粒物的自動(dòng)上料系統(tǒng)，趙飛等人[6]針對(duì)手工上料困難、效率低等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)棒料車(chē)削加工自動(dòng)上料系統(tǒng)。

針對(duì)戶(hù)外折疊椅中的空心金屬連接桿與端蓋鉚接過(guò)程中存在的人工上料及鉚孔對(duì)中精度與效率低等問(wèn)題，開(kāi)展連接桿與端蓋自動(dòng)鉚接工藝流程分析及生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)，其中連接桿自動(dòng)上料成為關(guān)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(lái)一定困難，因此，提出一種重力碰撞式輕質(zhì)連接桿上料方法，并通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析，以控制連接桿進(jìn)入儲(chǔ)料箱的姿態(tài)和出料位置精度，滿(mǎn)足連接桿與端蓋自動(dòng)鉚接工藝要求。

1 連接桿自動(dòng)上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戶(hù)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(zhǎng)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(dòng)化生產(chǎn)線的連接桿上料機(jī)械裝置主要由儲(chǔ)料倉(cāng)、撞擊板、導(dǎo)板斜坡、撥桿、交錯(cuò)輪、排列箱、摩擦輪、傳送帶、傳送帶連接軸安裝座和上料導(dǎo)板等組成，如圖2所示。在連接桿上料裝置中，交錯(cuò)輪設(shè)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(gè)部分受到摩擦力基本相同，撞擊板設(shè)置于導(dǎo)板斜坡相對(duì)處，撥桿設(shè)置于撥桿下方，儲(chǔ)料倉(cāng)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(shè)置摩擦輪，排列箱出口處設(shè)置傳送帶，傳送帶另一端設(shè)置導(dǎo)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(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)整齊排列，防止卡料情況發(fā)生，在連接桿儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)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(zhǔn)，以規(guī)整連接桿進(jìn)入儲(chǔ)料倉(cāng)的姿態(tài)。

2.1 落料姿態(tài)模型建立

連接桿落料過(guò)程實(shí)質(zhì)上一個(gè)與料箱的碰撞過(guò)程，而其碰撞過(guò)程必然導(dǎo)致其姿態(tài)發(fā)生變化。因此，為了實(shí)現(xiàn)桿件落料姿態(tài)的控制，可以通過(guò)建立碰撞模型對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行分析，并完成連接桿的姿態(tài)矯正。連接桿落料碰撞過(guò)程包括一次碰撞和二次碰撞，通過(guò)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(guò)程如下。

首先，建立重力模型，分析桿件在儲(chǔ)料箱中得運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，根據(jù)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?yàn)闂U件必須在斜板上滑動(dòng)，a＞0，因此：

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

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

聯(lián)立（1）（2）（3）（4）（5）（6）可得：

2.2 連接桿落料動(dòng)力學(xué)建模

采用SOLIDWORKS軟件構(gòu)件連接桿上料系統(tǒng)三維模型，將模型以Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，構(gòu)建其動(dòng)力學(xué)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(shè)置材料、密度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性。確定各零部件之間的運(yùn)動(dòng)副，見(jiàn)表1。儲(chǔ)料倉(cāng)、排列箱和傳送帶之間設(shè)定固定副，撥桿與儲(chǔ)料倉(cāng)之間設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)副，摩擦輪與排列箱之間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，見(jiàn)表2。在連接桿和儲(chǔ)料倉(cāng)、連接桿和排列箱之間添加接觸力。在連接桿兩端建立Mark點(diǎn)，根據(jù)兩端Mark點(diǎn)的位移差判斷連接桿在上料過(guò)程中的姿態(tài)矯正情況。

表1 機(jī)械系統(tǒng)模型主要運(yùn)動(dòng)副信息

表2 機(jī)械系統(tǒng)模型主要接觸力信息

2.3 仿真及結(jié)果分析

在建立圖4仿真模型的基礎(chǔ)上，在ADAMS環(huán)境中設(shè)置仿真模式為交互式仿真，設(shè)置分析類(lèi)型為動(dòng)力學(xué)，標(biāo)記連接桿的1端為MARKER_1點(diǎn)，連接桿的2端為MARKER_2點(diǎn)，求解MARKER_1點(diǎn)和MARKER_2點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

設(shè)置仿真步數(shù)為500，仿真時(shí)長(zhǎng)為5 s。設(shè)置單個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5所示。

圖5 連接桿碰撞仿真結(jié)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(shí)間在0.36 s～0.5 s，此時(shí)連接桿1端X方向位移保持不變，連接桿2端開(kāi)始往著1端方向移動(dòng)，時(shí)間在0.5 s時(shí)，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(dǎo)板斜坡上，在0.06 s上在Z方向上產(chǎn)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(kāi)始向著1端移動(dòng)，完成Z方向上碰撞姿態(tài)矯正，因此在0.36 s～0.5 s內(nèi)連接桿完成姿態(tài)碰撞矯正，t=0.36 s時(shí)，滿(mǎn)足第一次碰撞速度要求，如圖c所示。

實(shí)際操作中，會(huì)有多個(gè)連接桿同時(shí)參與碰撞，下面添加五個(gè)連接桿，添加連接桿與連接桿之間接觸力，設(shè)置仿真步數(shù)為500，仿真時(shí)長(zhǎng)為5 s，設(shè)置兩個(gè)連接桿初始狀態(tài)為與z軸方向夾角為，另外三個(gè)連接桿初始狀態(tài)為與z軸方向夾角為開(kāi)始進(jìn)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(jù)

五個(gè)桿件1，2端x方向偏差為66 mm～123 mm，在t=0.1 s后，各個(gè)桿件之間x方向位移差值趨向?yàn)? mm，完成x方向碰撞矯正；如圖b所示，t=1.2 s時(shí)，各個(gè)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(jìn)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(duì)連接桿上料過(guò)程姿態(tài)矯正，防止卡料情況發(fā)生。

連接桿出料口處質(zhì)心y方向質(zhì)心位移偏差最大為18 mm，如圖7所示。由圖7知，其滿(mǎn)足連接桿自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)連接桿上料位置要求。

圖7 連接桿質(zhì)心y方向位移

3 結(jié)語(yǔ)

在連接桿上料上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，連接桿上料系統(tǒng)中連接桿上料動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的關(guān)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(guò)ADAMS仿真分析，單根連接桿和多根連接桿兩端位移軌跡，驗(yàn)證碰撞模型對(duì)于連接桿誤差修正是收斂的；同時(shí)，仿真驗(yàn)證連接桿出料位置誤差滿(mǎn)足連接桿自動(dòng)化生產(chǎn)線要求。