一種機(jī)器人自動(dòng)攻絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

樊慶怡，刁 燕，羅 華，楊韶勇

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

1 前言

傳統(tǒng)攻絲加工通常采用鉆床或具有鉆孔攻絲加工中心的傳統(tǒng)機(jī)床，但對(duì)于大型工件、螺紋孔分布跨度大且無(wú)規(guī)則分布和有角度要求的孔攻絲，傳統(tǒng)的加工機(jī)床很難滿足加工要求。文獻(xiàn)[1]提出了一種高效、長(zhǎng)使用壽命的自動(dòng)攻絲機(jī)。文獻(xiàn)[2]一種控制體系簡(jiǎn)單可靠的伺服控制數(shù)控攻絲機(jī)。文獻(xiàn)[3]提出了一種針對(duì)五金標(biāo)準(zhǔn)件以及非標(biāo)準(zhǔn)零件內(nèi)孔加工的全自動(dòng)攻絲機(jī)。針對(duì)傳統(tǒng)螺紋孔攻絲方法的不足，基于六自由度KUKA機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人自動(dòng)攻絲系統(tǒng)。機(jī)器人作業(yè)可靈活調(diào)節(jié)攻絲的軌跡和姿勢(shì)且機(jī)器人自由度高、結(jié)構(gòu)靈活、機(jī)械臂活動(dòng)范圍大，針對(duì)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)面、跨度分布較大的螺紋孔具有很好的適應(yīng)性，可針對(duì)性設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具，有效避開(kāi)了傳統(tǒng)攻絲裝置結(jié)構(gòu)固定的弊端。

機(jī)器人自動(dòng)攻絲系統(tǒng)工作時(shí)，受載情況復(fù)雜，同時(shí)受到靜、動(dòng)載荷的作用，在設(shè)計(jì)階段就要求自動(dòng)攻絲系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)、靜剛度要求。準(zhǔn)確地分析和獲取自動(dòng)攻絲系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性可以為機(jī)器人自動(dòng)攻絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提供一種現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)[4]。在整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分中，自適應(yīng)工作臺(tái)起著自適應(yīng)夾持、定位、限位的作用，是極其重要的一個(gè)大件；末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)用絲錐的工作質(zhì)量，也非常重要。

自適應(yīng)工作臺(tái)的動(dòng)、靜態(tài)特性主要受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸、材料的影響。工作臺(tái)不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響工作臺(tái)剛度，使其產(chǎn)生各種變形與振動(dòng)，導(dǎo)致零件的加工精度無(wú)法達(dá)標(biāo)。

當(dāng)機(jī)器人自動(dòng)攻絲系統(tǒng)進(jìn)行大型工件、螺紋孔分布跨度大且無(wú)規(guī)則分布和有角度要求的孔攻絲任務(wù)時(shí)，對(duì)工作臺(tái)與末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的研究顯得尤為重要。以工作臺(tái)和末端執(zhí)行器為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件分析工作臺(tái)與末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析的正確性，找到了工作臺(tái)與末端執(zhí)行器的薄弱環(huán)節(jié)，為下一步的優(yōu)化提供了分析依據(jù)和指導(dǎo)。

2 自動(dòng)攻絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)攻絲系統(tǒng)其組成包括六軸工業(yè)機(jī)器人，末端執(zhí)行器，夾具，工作臺(tái)，待加工板件。

其中工業(yè)機(jī)器人選用的是KUKA KR30-3的六軸機(jī)器人，末端執(zhí)行器組成包括伺服電機(jī)，一個(gè)諧波減速器和連接在諧波減速器轉(zhuǎn)軸上的連接套筒，其中在連接套筒的另一邊安裝有標(biāo)準(zhǔn)件ER系列軟接頭，軟接頭上面可以安裝不同直徑尺寸的攻絲絲錐，絲錐放入軟接頭中擰緊端蓋即可實(shí)現(xiàn)絲錐安裝固定。

根據(jù)待加工板件上孔的位置，在六軸工業(yè)機(jī)器人上預(yù)先設(shè)定好軌跡路線，由于待加工板件可以由夾具進(jìn)行定位，夾具放置在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，可以構(gòu)建以工業(yè)機(jī)器人底盤(pán)中心為空間直角坐標(biāo)系中心的空間直角坐標(biāo)系，這樣機(jī)器人可以識(shí)別到待加工板件上待攻絲孔位置。

根據(jù)設(shè)定好的機(jī)器人軌跡即可實(shí)現(xiàn)對(duì)板件的攻絲操作，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall System Structure Diagram

2.2 自適應(yīng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)包括底部支撐部分、復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位支撐部分和夾緊部分。

其中，復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由x和y方向上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，這兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用直線導(dǎo)軌構(gòu)成，將直線導(dǎo)軌搭建成“井”字型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X-Y方向上的移動(dòng)調(diào)節(jié)，且僅用兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。

x方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭載在y方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，且通過(guò)一根復(fù)合軸14連接，通過(guò)復(fù)合軸中的花鍵桿將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)傳動(dòng)給平行的兩個(gè)直線導(dǎo)軌，且不會(huì)對(duì)平行導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

伺服電機(jī)7通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸9使導(dǎo)軌4和導(dǎo)軌13同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊6和滑塊10同步運(yùn)動(dòng)，滑塊6、10帶動(dòng)導(dǎo)軌5運(yùn)動(dòng)；

伺服電機(jī)12通過(guò)復(fù)合軸使導(dǎo)軌3和導(dǎo)軌5同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊1及滑塊11同步運(yùn)動(dòng)，固定塊2及固定塊8通過(guò)螺栓固定在導(dǎo)軌側(cè)旁的T型槽內(nèi)，如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagram of Adaptive Workbench

3 靜力學(xué)分析

3.1 靜力學(xué)分析前處理

使用SolidWorks對(duì)待加工薄板的微小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

在WorkBench中設(shè)置支撐柱的材料為45鋼，待加工板的材料為5052鋁合金，其材料屬性，如表1所示。

表1 靜力學(xué)分析材料屬性Tab.1 Statically Analyze Material Properties

這里采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法對(duì)夾具工件系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格設(shè)置，尺寸默認(rèn)，Relevance 值20，Relevance Center 為中等，劃分后的夾具工件系統(tǒng)模型包含34071 個(gè)節(jié)點(diǎn)、14155 個(gè)單元。

3.2 添加約束與載荷

根據(jù)實(shí)際工況條件，對(duì)支撐柱底部施加固定約束，每個(gè)氣動(dòng)夾頭對(duì)待加工板施加上下相同的力，大小為0.15MPa[5]。

在自動(dòng)攻絲機(jī)器人工作過(guò)程中，待加工板作為主要承載對(duì)象，攻絲時(shí)被加工孔處所受扭矩大小根據(jù)孔的大小分別設(shè)置為220N·mm（M3）與540N·mm（M4），方向垂直于孔向下[6-7]。

3.3 求解及結(jié)果分析

使用ANSYS WorkBench 進(jìn)行求解，得出分析結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3 整體總應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Overall Strain Cloud Plan

圖4 整體等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 Global Equivalent Stress Distribution Nephogram

由圖3（a）～圖3（e）知，在Workbench Mechanical的計(jì)算分析下，待加工板的最大等效應(yīng)力為29.692MPa，最大應(yīng)力位于被加工孔處。

加工不同位置不同大小的孔的應(yīng)變分別如圖4（a）～圖4（e）所示。其中，整體最大應(yīng)變?yōu)?.016mm，主要變形區(qū)域集中在被加工孔與待加工板被氣動(dòng)夾頭夾持處。

4 模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析前處理

模態(tài)分析是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)[8]。對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)與連接機(jī)器人手臂的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，分析其在自由狀態(tài)下的自由模態(tài)，求出自由模態(tài)下每一階對(duì)應(yīng)固有頻率及其對(duì)應(yīng)模態(tài)振型。

在進(jìn)行模態(tài)分析前，使用SolidWorks 對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的微小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，在WorkBench中對(duì)將要被處理的模型進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)置[9]，如表2所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)構(gòu)材料屬性Tab.2 Structural Material Properties in Modal Analysis

這里采用自由網(wǎng)格劃分對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格設(shè)置，尺寸默認(rèn)，Relevance值20，Relevance Center 為中等，劃分后工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型包含67255 個(gè)節(jié)點(diǎn)、20084個(gè)單元；末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型包含73280個(gè)節(jié)點(diǎn)、41247 個(gè)單元。

4.2 添加約束與載荷

根據(jù)實(shí)際工作情況，對(duì)工作臺(tái)四個(gè)底腳施加固定約束；kukakr30-3 機(jī)器人自身質(zhì)量高達(dá)556kg，在工作過(guò)程中可視為剛體，對(duì)末端執(zhí)行器法蘭與機(jī)器人手臂連接處施加固定約束，將電機(jī)以大小為2.9kg的質(zhì)量點(diǎn)形式添加到模型，質(zhì)量點(diǎn)的位置，如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器約束后模型圖Fig.5 Model Diagram with End-Effector Constraints

4.3 求解及結(jié)果分析

由于自動(dòng)攻絲機(jī)器人系統(tǒng)加工工件時(shí)轉(zhuǎn)速為600r/min，攻絲速度并不高，因此只分析低階模型，提取模態(tài)（1～6）階，工作臺(tái)的前六階模態(tài)分析結(jié)果，如表3所示。

表3 工作臺(tái)前六階模態(tài)分析結(jié)果Tab.3 The First Six Modal Analysis Results of the Table

振型云圖[10]，如圖6所示。

圖6 工作臺(tái)模態(tài)振型云圖Fig.6 Modal Profile of the Table

綜合表3和圖6可得出如下結(jié)論：

（1）第一、三、五階振幅最大的位置都發(fā)生在待加工件的中部，此處為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在攻絲過(guò)程中，由于切削力的作用使得工作臺(tái)發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致攻絲精度降低。

（2）由于攻絲轉(zhuǎn)速為600r/min，所以電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的激振頻率為10Hz，與第一階固有頻率108.68Hz比相差太大，故不會(huì)引起共振。

取末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)前6階振態(tài)模型進(jìn)行分析，其模態(tài)分析結(jié)果，如表4所示。

表4 末端執(zhí)行器前6階固有頻率Tab.4 The First Six Modal Analysis Results of the End-Effector

振型云圖，如圖7所示。

圖7 末端執(zhí)行器模態(tài)振型云圖Fig.7 Modal Profile of the End-Effector

綜合表4和圖7可得出如下結(jié)論：

（1）第一、二、三階振幅最大的位置都發(fā)生在諧波減速器與電機(jī)連接部位，此處為結(jié)構(gòu)的薄弱部位；

（2）末端執(zhí)行器動(dòng)力裝置的固有頻率與第一階固有頻率58.17Hz比相差較大，不會(huì)引起共振。

5 結(jié)語(yǔ)

使用SolidWorks設(shè)計(jì)并建立了用于大跨度復(fù)雜孔分布的自動(dòng)攻絲機(jī)器人系統(tǒng)的模型，通過(guò)Ansys WorkBench對(duì)自動(dòng)攻絲機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析與模態(tài)分析。

為了得到更加精確的分析結(jié)果，對(duì)待加工件按照實(shí)際的安裝工況施加了約束，靜力分析的結(jié)果顯示在加工過(guò)程中待加工件的變形幅度小于0.4%，夾具設(shè)計(jì)合理；

工作臺(tái)與末端執(zhí)行器的模態(tài)分析結(jié)果顯示本結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振，但可以對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部分加以優(yōu)化，提高加工精度。