沖床卸料機械手的結構設計與有限元仿真

胡傳松

(合肥通用職業(yè)技術學院 機械工程系，合肥 230031)

沖壓工藝是材料成型加工中的重要方法，現(xiàn)代工業(yè)的進步要求沖壓加工向著高速、高精度和高可靠性方向發(fā)展.傳統(tǒng)的人工上下料方式已不能滿足現(xiàn)代沖壓工藝的需求，迫切需要采用自動化裝置來解決這一問題[1].隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，工業(yè)機械手在機械制造領域被廣泛應用.相對于傳統(tǒng)的人工上下料而言，機械手上下料具有高精度、高效率、高自動化以及低成本等優(yōu)點[2-3].因此，采用機械手實現(xiàn)自動化上下料，成為了目前沖壓物料輸運自動化的發(fā)展趨勢之一[4].在沖壓工程中，工件從模具中卸料時易出現(xiàn)不能安全穩(wěn)定卸下的問題.因此，本文擬設計一款沖床自動卸料機械手，使得工件能安全可靠的出料，從而使得沖床具備高度可靠性、強抗干擾能力和較高工作效率.

1 沖壓卸料機械手生產(chǎn)條件

本文所設計的自動卸料機械手主要為配合45T沖床使用，通過機械手上的機座部分連接固定到?jīng)_床工作臺上.結合生產(chǎn)車間特定的生產(chǎn)條件，對卸料機械手進行位置調節(jié).卸料機械手生產(chǎn)工藝條件如表1所示.卸料機械手的工作位置如圖1所示.

表1 卸料機械手生產(chǎn)條件

圖1 卸料機械手工作位置圖

圖2 執(zhí)行結構的組成

如圖1所示，卸料手手臂的初始位置位于左側或者右側的自動卸料帶上方.假設選定左側卸料帶上方為初始位置，卸料手工作順序為：沖床沖頭壓下(卸料手開始向沖床方向運動)，沖頭抬升至上死點位置(同時卸料手進入卸料狀態(tài)，電磁吸盤吸取工件)，沖床卸料手向右側繼續(xù)運作，放下工件至右側的卸料帶上，沖床進行第二次加工工件.至此,一個完整的卸料過程結束.45T沖床自動卸料機械手的旋轉參數(shù)為左右各30°.

2 機械手結構設計

2.1 總體方案設計

卸料機械手的總體結構包括執(zhí)行機構、驅動機構、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等[5].由圖1所示的工作位置圖可知，卸料機械手只需要一個固定回轉運動.因此，在結構設計時只需要設計一個回轉運動機構就可以了，不僅提高了卸料機械手的工作精度，也簡化了結構.卸料機械手的執(zhí)行結構組成如圖2所示，主要包括：機座、立柱、手臂、手部、回轉機構等.本文主要對回轉機構、手臂及手部結構進行設計與計算.

2.2 回轉機構設計

2.2.1 齒輪結構設計

由于自動卸料機械手的驅動方式選用的是氣壓驅動，因此，在設計時需要同時考慮氣缸的直線運動和機械手的回轉運動，綜合考慮之后選擇齒輪齒條傳動.在結構設計時為了保證機械手結構緊湊，將氣缸和齒條裝配成一體式，由氣缸活塞帶動齒條進行來回移動，從而實現(xiàn)齒輪的左右轉動，同時將齒輪軸也設計成一體式，有利于裝配.齒輪齒條回轉結構如圖3所示.

2.2.2 齒輪齒條的速度計算

齒輪軸帶動卸料機械手的手部和手臂實現(xiàn)回轉運動，故手臂回轉60°即齒輪軸轉動60°.齒輪條的直線運動是通過氣缸活塞桿帶動的，下面對齒條對應的移動距離進行計算.

2.3 沖床卸料手手部的設計

由于所選取的工件材料是鎳鋼片，故可以采用電磁吸盤吸取的方式進行卸料.電磁吸盤采用電磁原理，吸盤內部安裝的線圈通電后會產(chǎn)生磁力，吸取工件；線圈斷電即實現(xiàn)放料.相比于負壓式吸盤，電磁吸盤結構簡單，使用方便，通電后即能進行工作，同時，在工作過程中不需要完全接觸工件，可以預留一段距離進行吸取工件，更加安全.吸盤結構如圖4所示.

圖3 齒輪齒條回轉機構

圖4 吸盤結構圖

2.4 機械手手臂的設計

機械手的手臂在卸料過程中只需要跟著齒輪軸轉動即可，在結構設計時要求使機械手能穩(wěn)定可靠地進行抓取工件，需要滿足強度和剛度方面的需求，因此采用優(yōu)質碳素Q235鋼桿件，通過螺栓和螺母實現(xiàn)長度方向上的調節(jié)，結構如圖5所示.

經(jīng)過設計，卸料機械手的總體結構如圖6所示.

圖5 機械手手臂總圖

圖6 總體結構圖

3 機械手運動部件有限元分析

3.1 靜力學分析

機械手在上下料過程中，在手部上承受了工件的重量，因此在進行力學分析時，需要同時考慮工件重量和機械手自重的影響[6].在吸料過程中，鎳鋼片的自重為5 N，即作用于卸料機械手手部的力為5 N.利用Solidworks中的仿真插件對機械手進行了力學仿真，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格圖形如圖7所示.力學分析結果如圖8和圖9所示.

圖7 機械手有限元網(wǎng)格圖

圖8 位移計算結果圖

圖9 應變計算結果圖

圖10 應力計算結果圖

如圖8所示，卸料機械手的手臂在受5 N的力時，所產(chǎn)生的最大的變形位移是0.293 mm，相對于整體機械手而言幾乎可以忽略不計.因此可以認為，機械手在抓取鎳鋼片時，變形很小，故能夠進行安全穩(wěn)定高效的卸料工作.圖10為機械手手臂在抓取工件時的應力分布，可以看出，最大的應力是5.362 MPa，而所選用材料為Q235B，抗拉強度為460 MPa，遠大于工作時的最大應力，所以機械手能夠進行穩(wěn)定安全的卸料工作.綜上所述，卸料機械手的手臂在強度和剛度上符合工作要求.

3.2 模態(tài)分析

機械手在卸料過程中，采用氣壓啟動回轉，動作頻率較高，同時機械手采用的是懸臂結構，在運動時需要考慮振動的影響.為保證機械手在卸料過程中能穩(wěn)定可靠的工作，需要對其振動頻率進行分析，即模態(tài)分析.根據(jù)計算，各階振型如圖11所示，模態(tài)頻率如表2所示.

表2 各階頻率表

如圖11所示，1階振型和2階振型均為彎曲振型，最大振幅為0.79 mm，3階和4階為彎扭振型，最大振幅為0.84 mm，5階振型主要表現(xiàn)為扭轉，最大振幅為1.24 mm，滿足沖壓卸料使用要求.同時可知，吸盤處和齒輪軸與手臂的結合處為機械手的危險部位.根據(jù)模態(tài)分析結果可知，該機械手結構滿足使用要求.

a)1階振型與幅值 b)2階振型與幅值 c)3階振型與幅值

d)4階振型與幅值 e)5階振型與幅值

4 結語

本文設計了一款沖床自動卸料機械手，采用圓柱坐標系進行建模，具有一個轉動自由度，結構可靠，操作簡便，生產(chǎn)效率較高，控制系統(tǒng)簡易.對卸料機械手的各個部件進行了設計，包括手臂，吸盤，齒輪回轉機構等，進行了結構造型，并采用有限元方法進行了力學分析，結果表明結構滿足強度要求.在結構設計的基礎上，對機械手的關鍵運動部件進行了模態(tài)分析，結果表明該機械手的振型主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉，振幅滿足使用要求.該機械手可應用于沖床生產(chǎn)中，可以提高生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度.