基于某加工中心自動換刀機械手的仿真優(yōu)化

趙向杰，房栓娃

（西安航空職業(yè)技術學院 航空制造工程中心，西安 710089）

在現代制造加工業(yè)中加工中心的作用越來越顯著，其中，自動換刀裝置的換刀速度以及穩(wěn)定性又是影響生產效率的重要因素。目前市場上主流的自動換刀系統(tǒng)一般由存儲刀具的刀庫、及執(zhí)行換刀動作的機械手、驅動刀庫和機械手運動的驅動裝置組成。

自動換刀機械手作為自動換刀裝置的核心部件，是實現換刀過程快速、穩(wěn)定的根本保證。其作用是實現在換刀過程中刀具的交換及插拔，應具有響應速度快、運行平穩(wěn)、工作可靠等特點。在實際加工過程中，鎖緊機構的磨損，應力集中問題，定位誤差，轉動慣量較大等問題導致了較高的故障率，比如抓刀不穩(wěn)、機械手動作不到位、掉刀等故障。針對以上問題，國內外眾多專家學者進行了大量的研究工作。李劍玲等運用優(yōu)化設計的方法設計了一種適用于立臥兩用換刀場合的機械手卡爪機構[1]。陳愛虎與羅生梅通過系統(tǒng)的建模，靜力分析和模態(tài)分析，得到整個裝配體的位移和應力以及它的固有頻率、振型，然后將優(yōu)化前和優(yōu)化后的機械手進行對比，最終達到了有效減小數控機械手誤差的目的[2]。牛軍燕等通過ANSYS對機械手手爪進行建模和分析。得出了機械手手爪的應力應變圖和手爪的薄弱環(huán)節(jié)，最終設計出了綜合性能良好的機械手手爪[3]。張祺等通過控制PLC 編程改進控制系統(tǒng)，一定程度上達到了換刀快速穩(wěn)定的目的[4]。夏仰球通過可靠性試驗裝置的設計，建立了系統(tǒng)的動力學模型、精度模型和運動學模型，采用蒙特卡羅隨機抽樣的方法，對廣義機構工作的可靠度進行了計算，并對機械手系統(tǒng)的關鍵部件進行了分析。最后，針對影響機械手換刀動作精度的因素，建立精度影響模型，并對可靠性進行了分析[5]。

本文以某加工中心的自動換刀機械手為研究對象，分析該機械手存在一定的應力集中問題，同時，轉動慣量較大導致換刀速度較慢和穩(wěn)定性較差，結合以上學者的研究經驗，在SolidWorks環(huán)境下建立該型號換刀機械手的三維模型，再利用ANSYS Work-bench 軟件對其進行靜力學分析，得到其應力和應變云圖，找出機械手的薄弱環(huán)節(jié)，對薄弱環(huán)節(jié)進行加強，再利用Shape optimization模塊中對其結構進行改進設計，最終達到質量下降，轉動慣量降低的目的，為后續(xù)物理樣機的生產提供了依據，同時也對提高換刀過程的穩(wěn)定性和換刀速度具有重要的意義。

1 自動換刀機械手的建模

由安裝圖紙結合實際測量，在SolidWorks 環(huán)境下建立的三維模型如圖1所示。

圖1 自動換刀機械手模型Fig.1 Model of automatic tool changer manipulator

在圖1的三維模型中，卡刀軸與換刀臂之間存在一個彈簧，在工作過程中，換刀機械手中軸帶動換刀臂旋轉，在旋轉過程中，刀柄和卡刀軸接觸，卡刀軸受力，沿軸的方向運動。當刀柄完全被刀爪抓住時，卡刀軸受到彈簧的力彈起，固定住刀柄，然后刀柄隨軸轉動至另一側，從而實現換刀。具體換刀過程為：接到換刀指令后，刀庫將待換刀具轉到指定換刀位置，機械手在升降液壓缸的作用下到達待機位置。換刀臂在轉位液壓缸的作用下逆時針旋轉90°，兩個手爪分別抓住刀庫和主軸上的刀柄。刀具的自動夾緊機構松開刀具，換刀臂下降，同時將兩把刀具拉出。換刀臂旋轉180°使刀庫刀具與主軸刀具彼此交換位置。機械手上升，將刀具分別插入主軸刀庫和錐孔內，刀具的自動夾緊機構將刀具進行夾緊。機械手順時針旋轉90°，回到原始位置。

2 機械手的優(yōu)化設計

優(yōu)化設計是選取適當的設計變量，建立優(yōu)化問題的目標函數和約束條件，從而求出最優(yōu)解。在換刀機械手的高速轉動的過程中，影響其換刀性能的主要因素是轉動慣量，因此如何減少轉動慣量的影響顯得尤為重要，轉動慣量的大小不僅和物體的質量有關，還與機械手的形狀密切相關。它可以對機械手的整個夾持部分和臂架進行優(yōu)化，這樣不僅可以找到機械手在換刀過程中的參數性能要求，而且可以找到機械手夾持部分結構的合理布局，最終達到降低機械手質量的目的。

2.1 建立有限元模型并進行靜力學分析

由于結構較復雜且是裝配體，可適當簡化模型，將SolidWorks模型導人ANSYS Workbench中并定義材料屬性，手臂和卡爪均采用45 號鋼，其主要力學性能為：彈性模量為209GPa；泊松比為0.269；密度為7890kg/m3。軟件可自動劃分網格，對機械手進行靜力學分析，以頂座為固定端施加約束，由于外力只有抓刀時刀具的重力，查表可得常用刀具重量為10kg，故簡化為100N 的兩個力，對受力區(qū)域分別施加。然后對機械手的總變形和總應力進行求解，從而得到具體的分析結果如圖2 和圖3 所示，由結果可知，其受力情況良好，變形較小。

由材料力學知識可知，應力集中和應變問題通常出現在材料厚度銳變區(qū)域，越往固定端越大，考慮到有時需要加載重刀的情況，如果將載荷增加到500N，由圖4和圖5可知，機械手應力集中問題較為嚴重。為考慮安全性，可將機械手薄弱環(huán)節(jié)即卡爪與手臂連接部位加厚。

圖2 夾持輕刀應力圖Fig.2 Stress diagram of clamping light knife

圖3 夾持輕刀應變圖Fig.3 Clamping light knife strain diagram

圖4 夾持重刀應力圖Fig.4 clamping heavy knife stress diagram

圖5 夾持重刀應變圖Fig.5 Clamping heavy knife strain diagram

2.2 機械手的拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的數學方法，是結構優(yōu)化的一種。ANSYS Workbench 中的Shape optimization模塊可以直接完成拓撲優(yōu)化工作。以質量減少15%為條件，以機械手卡爪和手臂為優(yōu)化對象，然后根據拓撲優(yōu)化結果對機械手模型施加與靜力學相同的約束和載荷條件，得到的分析結果如圖6和圖7所示。借助軟件的質量屬性功能，對比拓撲優(yōu)化前后參數的變化，可知最大變形從0.02641mm變到了0.02289mm。質量由原來的7.142kg下降到了現在的6.027kg。最大應力亦遠小于許用應力值，滿足要求。

圖6 優(yōu)化后的應力圖Fig.6 Optimized stress diagram

圖7 優(yōu)化后的應變圖Fig.7 Optimized strain diagram

3 結語

1）根據某加工中心的實際情況，在SolidWorks環(huán)境下實現了建模，利用ANSYS 軟件找出了原結構的薄弱環(huán)節(jié)并進行了改進。

2）對卡爪和手臂整體進行優(yōu)化，相比之前的重量有明顯下降，保證了材料的利用率和結構的改進，質量的下降也導致了轉動慣量減小，為實現換刀過程快速穩(wěn)定提供了理論依據。

3）但仍需進一步研究換刀過程的可靠性問題，從而實現換刀過程的平穩(wěn)、準確、快速。