智能搬運(yùn)機(jī)器人末端夾持機(jī)構(gòu)研究

江鴻懷, 金曉怡, 陳志鵬

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

傳統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)搬運(yùn)工具[1]主要通過外部機(jī)械手完成上貨過程,具有成本高、效率低等缺點(diǎn),而傳統(tǒng)機(jī)械臂[2]多為固定機(jī)架型,不具備靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn).如果能設(shè)計(jì)一種機(jī)械臂夾持機(jī)構(gòu)與AGV相結(jié)合,將極大地提高小車和機(jī)械臂的工作效率,降低企業(yè)生產(chǎn)成本.

末端夾持機(jī)構(gòu)種類較多,根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式和專用工具3類.例如,有為方便更換而設(shè)計(jì)的1 min接換器用作操作機(jī)上的機(jī)械接口;有用法蘭盤作為機(jī)械接口處轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu);還有采用電磁吸盤實(shí)現(xiàn)快速和自動(dòng)更換功能的末端執(zhí)行器.本文根據(jù)企業(yè)需求設(shè)計(jì)一種用于夾持手表的夾持機(jī)構(gòu)[3],通過SolidWorks軟件[4]建立三維模型,應(yīng)用ANSYS軟件[5]仿真分析,驗(yàn)證夾持機(jī)構(gòu)合理性;根據(jù)夾持力與拋光力的關(guān)系[6-7],在30 N拋光力條件下對(duì)被夾持表殼進(jìn)行仿真分析,以期為后期夾持機(jī)構(gòu)與AGV結(jié)合提供充實(shí)的研究基礎(chǔ).

1 夾緊方案設(shè)計(jì)

鐘表類表殼屬于短套類零件,零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為適應(yīng)大批量自動(dòng)化生產(chǎn),考慮使用專用夾具定位夾緊.本文使用夾爪直接夾持表殼,夾持方式為內(nèi)孔擴(kuò)張夾持.卡盤采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式,工作壓力來自于機(jī)械臂提供的5 bar(1 bar=105Pa)集成氣源.卡盤擴(kuò)張行程應(yīng)適應(yīng)直徑尺寸為26～35 mm的一系列表殼.此外,整個(gè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)該控制在5 kg以內(nèi).

本文以自主研發(fā)的搬運(yùn)機(jī)器人樣機(jī)為研究對(duì)象,樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)工作圖如圖1所示,夾持腕表的機(jī)構(gòu)如圖2所示.

圖1 樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)工作圖Fig.1 Prototype on-site handling work diagram

圖2 機(jī)械臂末端夾持機(jī)構(gòu)Fig.2 End clamping mechanism of manipulator arm

1.1 拋光接觸力計(jì)算

拋光受力情況如圖3所示.拋光接觸力公式為

(1)

式中:Fm為末端倒數(shù)第2個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)(U軸)在夾具末端的等效扭力;Fg為夾具臂在末端的等效重力;φP為鋼與拋光材料的摩擦因數(shù);θ為拋光角.

θ=90°時(shí)有Pmax,按所選機(jī)械臂進(jìn)行初步計(jì)算,U軸最大轉(zhuǎn)矩為FU=12.5 N·m,設(shè)U軸離末端距離為L(zhǎng)U=200 mm,故

Fm=FU/LU=62.5 N

(2)

圖3 拋光力分析Fig.3 Analysis of polishing force

查表取φP=0.4,故

Pmax=Fm/φP=156.25 N

(3)

1.2 夾緊力確定(按徑向夾持失效計(jì)算)

卡盤上受力情況如圖4所示.

圖4 卡盤受力情況Fig.4 Stress on chuck

查表取K0=1.3,K1=1,K2=1.2,K3=1.2,故

K=K0K1K2K3=1.872

(4)

(5)

(6)

式中:K為總安全系數(shù);μ為修正系數(shù).

1.3 三爪卡盤型號(hào)選取

夾持機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)三爪卡盤,上下料方式簡(jiǎn)單,適合大批量生產(chǎn).同時(shí)考慮到外爪與拋光輪不能干涉,預(yù)估其夾持作用點(diǎn)離卡盤距離L=80～120 mm.通過計(jì)算,0.5 MPa工作壓力下,其負(fù)載范圍為280～360 N,更滿足實(shí)際需求,如圖5所示.故可選MHS3-63D型氣動(dòng)卡盤,缸徑63 mm,行程16 mm.

1.4 夾爪設(shè)計(jì)

夾爪與表殼接觸的上端設(shè)計(jì)有定位臺(tái)階,可以讓表殼定位更加精準(zhǔn),如圖6所示.夾爪隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)不能與拋光輪干涉,且前端應(yīng)具有足夠的耐磨性,可選45鋼并前端淬火.

圖5 MHS3-63D氣缸內(nèi)徑夾持負(fù)載圖Fig.5 Inside diameter clamping load diagram of MHS3-63D cylinder

圖6 夾爪Fig.6 Claming jaw

2 夾持機(jī)構(gòu)校核計(jì)算

2.1 氣動(dòng)卡盤負(fù)載校核

因?yàn)樵O(shè)備在進(jìn)行拋光加工時(shí),拋光力不會(huì)太大,所以當(dāng)法向拋光力為Fn=30 N,在拋光過程中任意時(shí)刻夾持力都不應(yīng)超過法向拋光壓力與拋光摩擦力的合力.夾持機(jī)構(gòu)受力情況如圖7所示.圖中:Fn為法向拋光力(法向壓力)的反作用力,即拋光輪對(duì)表殼的壓力;fμ為表殼受到的滑動(dòng)摩擦力;FΣ為拋光輪對(duì)表殼的作用力的合力;vf為表殼進(jìn)給速度;vh為拋光輪切向速度;vΣ為夾持機(jī)構(gòu)末端(表殼)與拋光輪的相對(duì)速度.

在進(jìn)行拋光工作的任意時(shí)刻,夾持壓力產(chǎn)生的沿夾爪末端軸向的力與FΣ在夾爪末端軸向產(chǎn)生的分力相等,因此當(dāng)夾爪末端軸向與FΣ方向相同時(shí),摩擦力達(dá)到最大,表殼工件最容易脫落飛出,是夾持的“危險(xiǎn)”時(shí)刻.此時(shí)有

fμ=μFn

(7)

式中:μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù),μ=0.18,則fμ=5.4 N.

合力FΣ計(jì)算式為

圖7 夾持機(jī)構(gòu)末端(表殼)受力分析Fig.7 Force analysis of end clamping mechanism(case)

(8)

代入數(shù)值得FΣ=30.48 N.若符合要求,則有

(9)

式中:Fmax為卡盤最大擴(kuò)張力;κ為安全系數(shù),取3;μ′為鋁合金對(duì)鋼的靜摩擦因數(shù),μ′=0.46.

按式(9)計(jì)算可得,Fmax≥198.78 N.根據(jù)所選用MHS3-63D型氣動(dòng)卡盤參數(shù)資料,在5 bar壓強(qiáng)下,其最大擴(kuò)張力,即內(nèi)徑夾持力為598 N,滿足式(9)要求,所以該卡盤夾持力負(fù)載符合要求.

2.2 夾爪校核

末端夾持機(jī)構(gòu)最前端由3個(gè)夾爪組成.選用7075鋁合金材質(zhì).最大擴(kuò)張力為Fmax≥198.78 N,則一個(gè)夾爪受到的最大作用力為

Fc=Fmax/3

(10)

正常情況下夾持,取Fmax=198.78 N,則Fc=66.26 N.使用SolidWorks軟件繪制夾爪三維模型,如圖8所示.導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0軟件中進(jìn)行分析,選用7075鋁合金,夾爪前端所受載荷Fc為66.26 N,分析得到夾爪范式等效應(yīng)力云圖如圖9所示.

圖8 夾爪三維模型Fig.8 Three dimensional model of clamping jaw

經(jīng)分析,螺栓孔處受力較大,該位置最大等效應(yīng)力為σmax=61.4 MPa.仿真結(jié)果如圖10所示.該應(yīng)力是按第四強(qiáng)度理論計(jì)算得到的,即范氏等效應(yīng)力.

圖9 螺栓孔處應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud chart of bolt hole

圖10 螺栓孔處應(yīng)力Fig.10 Stress of bolt hole

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),7075鋁合金抗拉強(qiáng)度應(yīng)為σb=524 MPa,其靜強(qiáng)度滿足要求.夾爪夾持零件完成拋光加工,應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,有

[σ0]=σb/n0p

(11)

式中:[σ0]為脈動(dòng)循環(huán)許用應(yīng)力,MPa;n0p為安全系數(shù),n0p=1.5.

將σb代入式(11)得[σ0]=349.3 MPa,則σmax≤[σ0],相料強(qiáng)度符合要求,夾爪可以投入使用.

2.3 30 N拋光力下的仿真結(jié)果

使用ANSYS workbench15.0軟件對(duì)拋光輪與表殼工件進(jìn)行有限元仿真,流程如圖11所示.相關(guān)參數(shù)見表1.

圖11 有限元接觸分析流程Fig.11 Flow chart of finite element contact analysis

表1 拋光輪與表殼工件參數(shù)Table 1 Parameters of polishing wheel and case workpiece

拋光輪與表殼工件的接觸方式定義為摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.18,因?yàn)閽伖膺^程中拋光力不會(huì)很大,結(jié)合工廠手工拋光情形,法向拋光力定為30 N,該力滿足機(jī)械臂負(fù)載能力與拋光加工要求.

圖12為表殼在30 N拋光力作用下接觸區(qū)域云圖.從仿真結(jié)果中可以得出,拋光輪與表殼工件兩者之間的接觸區(qū)域仍然為橢圓,未發(fā)現(xiàn)表殼表面發(fā)生變形現(xiàn)象,進(jìn)一步說明本文設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)是合理的.

圖12 30 N拋光力時(shí)的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation result under polishing force of 30 N

3 結(jié) 語

通過ANSYS軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的表殼夾持機(jī)構(gòu)仿真分析,其滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求;在最大30 N拋光力下,仿真結(jié)果顯示表殼未發(fā)生變形,說明設(shè)計(jì)的夾持結(jié)構(gòu)合理.在實(shí)際生產(chǎn)中,本設(shè)計(jì)對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率具有很大意義.同時(shí),為后期AGV搬運(yùn)上貨一體化裝置研究提供基礎(chǔ).