磁瓦碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析

付柯錦，胡曉兵，歐陽(yáng)旭東，徐興偉

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

在電機(jī)中，磁瓦質(zhì)量的好壞對(duì)電機(jī)的性能有著重要的影響，隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)磁瓦的需求量越來(lái)越大，磁瓦生產(chǎn)過(guò)程中存在多粉塵、高溫等惡劣工況，同時(shí)，碼垛是一種重復(fù)性高，勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作，基于提高生產(chǎn)效率，減少人工成本，提高操作人員的安全性和舒適性[1]等目的，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)控系統(tǒng)控制的磁瓦碼垛機(jī)械手，該機(jī)械手的三維圖如圖1所示。

圖1 磁瓦碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)3D圖

1 機(jī)械手組成

機(jī)械手一般由控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各部分組成[2]。該機(jī)械手采用數(shù)控系統(tǒng)控制，具有高穩(wěn)定性，高可靠性，采用G代碼編程，操作簡(jiǎn)單，維修方便。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載主要是模組的重量，所以電機(jī)選型的參數(shù)主要由選用的模組確定，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用二維坐標(biāo)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)模組，同步帶傳動(dòng)。

執(zhí)行部分采用直線氣缸，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升/下降，短行程直線氣缸，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，最末端采用氣爪，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾緊與放松。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)控制，需要在氣缸上裝位置傳感器[3]。圖2為執(zhí)行部分的三維圖與實(shí)物圖。

圖2 機(jī)械手執(zhí)行部分三維圖與實(shí)物圖

2 碼垛機(jī)械手控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

從機(jī)器人功能出發(fā)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)分析可知，需要控制的元器件（輸出信號(hào)）有：X、Y軸伺服電機(jī)、Z軸直線氣缸、短行程直線氣缸、氣爪；傳感器信號(hào)（輸入信號(hào)）有：X、Y軸模組限位信號(hào)2×2、Z軸直線氣缸2個(gè)、短行程直線氣缸2個(gè)、氣爪2個(gè)；方案原理如圖3所示。

從圖中可以看出，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)通用I/O板，發(fā)出信號(hào)控制繼電器通斷，繼而控制電磁閥換向，來(lái)控制氣缸的動(dòng)作，氣缸上的傳感器返回信號(hào)，完成運(yùn)動(dòng)反饋控制。傳感器采用圓柱形磁性接近開關(guān)，安裝在氣缸兩端，當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到傳感器所在位置時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，表示氣缸已經(jīng)達(dá)到了行程的極限。

圖3 控制系統(tǒng)方案原理圖

3 機(jī)械手關(guān)鍵部件的有限元分析

由于執(zhí)行部分安裝在Y軸上，Y軸一端與X模組上的工作臺(tái)固聯(lián)，所以可看作是一個(gè)懸臂梁模型，需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，檢驗(yàn)?zāi)＝M的剛度是否達(dá)到要求。由于模組機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致有限元分析的效率很低，分析時(shí)對(duì)模組的機(jī)械模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將之簡(jiǎn)化為5mm厚度的鋁合金殼體進(jìn)行分析。該簡(jiǎn)化模型的剛度要低于模組的實(shí)際剛度，因此，只要簡(jiǎn)化模型能滿足對(duì)模組剛度的需求，所選用的模組便能更好的適應(yīng)工況。這里應(yīng)用的是SolidWorks軟件里的Simulation有限元分析軟件[4]，來(lái)對(duì)Y模組進(jìn)行分析。

3.1 定義材料屬性、添加夾具、施加載荷

簡(jiǎn)化模型材料選為1060鋁合金，材料的彈性模量為69GPa，質(zhì)量密度為2.7×103kg/m3，根據(jù)Y模組的實(shí)際安裝情況添加夾具，設(shè)計(jì)最大碼垛重量為2kg，執(zhí)行部分機(jī)械爪重量約為3kg，所以模組承受的最大載荷約為50N，施加在模組末端。

3.2 分析結(jié)果

劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行分析運(yùn)算。

圖4 Y模組應(yīng)力分析

圖5 Y模組位移（合位移）分析

圖6 Y模組等量應(yīng)變分析

由運(yùn)算結(jié)果圖解分析，可得出該種工況下，Y模組所承受的最大應(yīng)力為2.85MPa，而材料的最大屈服應(yīng)力為27.5MPa，所以能夠安全工作，由合位移圖解得出Y模組最大位移量為0.059mm，位移量很小，能夠滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)磁瓦生產(chǎn)線自動(dòng)化需要，從磁瓦碼垛工作的特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)控系統(tǒng)的碼垛機(jī)械手，給出了控制系統(tǒng)方案，并對(duì)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，由于負(fù)載較小，機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度能滿足工作要求，其剛度也能保證機(jī)構(gòu)在工作時(shí)能有足夠的精度。

[1]蔡鶴皋.機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2004.33(1):67.

[2]孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3]朱梅.基于機(jī)械手的全氣動(dòng)或電氣動(dòng)控制設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2004(1):34.

[4]陳超祥,葉修梓,等.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.