智能搬運機器人末端夾持機構研究

江鴻懷, 金曉怡, 陳志鵬

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

傳統(tǒng)自動導引車(AGV)搬運工具[1]主要通過外部機械手完成上貨過程,具有成本高、效率低等缺點,而傳統(tǒng)機械臂[2]多為固定機架型,不具備靈活機動的特點.如果能設計一種機械臂夾持機構與AGV相結合,將極大地提高小車和機械臂的工作效率,降低企業(yè)生產(chǎn)成本.

末端夾持機構種類較多,根據(jù)用途和結構的不同可以分為機械式夾持器、吸附式和專用工具3類.例如,有為方便更換而設計的1 min接換器用作操作機上的機械接口;有用法蘭盤作為機械接口處轉換器的簡單結構;還有采用電磁吸盤實現(xiàn)快速和自動更換功能的末端執(zhí)行器.本文根據(jù)企業(yè)需求設計一種用于夾持手表的夾持機構[3],通過SolidWorks軟件[4]建立三維模型,應用ANSYS軟件[5]仿真分析,驗證夾持機構合理性;根據(jù)夾持力與拋光力的關系[6-7],在30 N拋光力條件下對被夾持表殼進行仿真分析,以期為后期夾持機構與AGV結合提供充實的研究基礎.

1 夾緊方案設計

鐘表類表殼屬于短套類零件,零件結構較為復雜,為適應大批量自動化生產(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)孔擴張夾持.卡盤采用氣動驅動形式,工作壓力來自于機械臂提供的5 bar(1 bar=105Pa)集成氣源.卡盤擴張行程應適應直徑尺寸為26～35 mm的一系列表殼.此外,整個機構質(zhì)量應該控制在5 kg以內(nèi).

本文以自主研發(fā)的搬運機器人樣機為研究對象,樣機現(xiàn)場搬運工作圖如圖1所示,夾持腕表的機構如圖2所示.

圖1 樣機現(xiàn)場搬運工作圖Fig.1 Prototype on-site handling work diagram

圖2 機械臂末端夾持機構Fig.2 End clamping mechanism of manipulator arm

1.1 拋光接觸力計算

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個關節(jié)電機(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°時有Pmax,按所選機械臂進行初步計算,U軸最大轉矩為FU=12.5 N·m,設U軸離末端距離為LU=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 三爪卡盤型號選取

夾持機構采用氣動三爪卡盤,上下料方式簡單,適合大批量生產(chǎn).同時考慮到外爪與拋光輪不能干涉,預估其夾持作用點離卡盤距離L=80～120 mm.通過計算,0.5 MPa工作壓力下,其負載范圍為280～360 N,更滿足實際需求,如圖5所示.故可選MHS3-63D型氣動卡盤,缸徑63 mm,行程16 mm.

1.4 夾爪設計

夾爪與表殼接觸的上端設計有定位臺階,可以讓表殼定位更加精準,如圖6所示.夾爪隨機械臂運動時不能與拋光輪干涉,且前端應具有足夠的耐磨性,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 夾持機構校核計算

2.1 氣動卡盤負載校核

因為設備在進行拋光加工時,拋光力不會太大,所以當法向拋光力為Fn=30 N,在拋光過程中任意時刻夾持力都不應超過法向拋光壓力與拋光摩擦力的合力.夾持機構受力情況如圖7所示.圖中:Fn為法向拋光力(法向壓力)的反作用力,即拋光輪對表殼的壓力;fμ為表殼受到的滑動摩擦力;FΣ為拋光輪對表殼的作用力的合力;vf為表殼進給速度;vh為拋光輪切向速度;vΣ為夾持機構末端(表殼)與拋光輪的相對速度.

在進行拋光工作的任意時刻,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,因此當夾爪末端軸向與FΣ方向相同時,摩擦力達到最大,表殼工件最容易脫落飛出,是夾持的“危險”時刻.此時有

fμ=μFn

(7)

式中:μ為滑動摩擦因數(shù),μ=0.18,則fμ=5.4 N.

合力FΣ計算式為

圖7 夾持機構末端(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為卡盤最大擴張力;κ為安全系數(shù),取3;μ′為鋁合金對鋼的靜摩擦因數(shù),μ′=0.46.

按式(9)計算可得,Fmax≥198.78 N.根據(jù)所選用MHS3-63D型氣動卡盤參數(shù)資料,在5 bar壓強下,其最大擴張力,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載符合要求.

2.2 夾爪校核

末端夾持機構最前端由3個夾爪組成.選用7075鋁合金材質(zhì).最大擴張力為Fmax≥198.78 N,則一個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.導入ANSYS Workbench15.0軟件中進行分析,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,該位置最大等效應力為σmax=61.4 MPa.仿真結果如圖10所示.該應力是按第四強度理論計算得到的,即范氏等效應力.

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

圖10 螺栓孔處應力Fig.10 Stress of bolt hole

根據(jù)國家標準,7075鋁合金抗拉強度應為σb=524 MPa,其靜強度滿足要求.夾爪夾持零件完成拋光加工,應力為脈動循環(huán)應力,有

[σ0]=σb/n0p

(11)

式中:[σ0]為脈動循環(huán)許用應力,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拋光力下的仿真結果

使用ANSYS workbench15.0軟件對拋光輪與表殼工件進行有限元仿真,流程如圖11所示.相關參數(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,因為拋光過程中拋光力不會很大,結合工廠手工拋光情形,法向拋光力定為30 N,該力滿足機械臂負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,進一步說明本文設計的夾持機構是合理的.

圖12 30 N拋光力時的仿真結果Fig.12 Simulation result under polishing force of 30 N

3 結 語

通過ANSYS軟件對本文設計的表殼夾持機構仿真分析,其滿足結構設計需求;在最大30 N拋光力下,仿真結果顯示表殼未發(fā)生變形,說明設計的夾持結構合理.在實際生產(chǎn)中,本設計對降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率具有很大意義.同時,為后期AGV搬運上貨一體化裝置研究提供基礎.