注塑機械手振動控制研究

李志剛，張文亮

（華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌 330013 ）

0 引言

塑料加工行業在我國的迅速發展，注塑成型設備的自動化程度也越來越高?，F代化的注塑機常常配置有機械手，以提高生產效率。注塑機械手是為注塑生產自動化專門配備的機械，它可以在減輕繁重的體力勞動、改善勞動條件、降低生產成本、增強企業的競爭力等方面起到及其重要的作用[1]。

在實際工作過程中，注塑機械手在低頻率下會產生劇烈的振動，影響機械手的工作可靠性，容易產生因機械手的誤操作而使被取件報廢等事故。因此，降低機械手的低頻振動對提高生產效率和穩定產品質量有著極其重要的作用[2]。本文在分析某機械手的取件工作過程特性的基礎上，結合其本身的結構特點，改善機械手的動力特性，以提高注塑機械手的取件定位精度。

1 機械手模型

機械手的結構比較復雜，建模時對于箱體蓋、線路托板、氣缸、緩沖器等對模型動力學分析影響不大的部件均忽略掉，以減少有限元模型的規模，僅將其質量折算到相應位置[3]。首先利用三維軟件設計出機械手模型，如圖1所示，該機械手模型主要由以下幾部分組成：基座、主臂梁、箱體、副臂梁等。

在ANSYS中，solid45單元用于構造三維實體結構。單元通過8個節點來定義，每個節點有3個沿著x, y, z方向平移的自由度，單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。所以注塑機械手模型采用ansys-solid45單元，將模型劃分為57502個單元格。

1.1 機械手靜力特性分析

靜力分析是不考慮慣性和阻尼影響，用來計算結構受到固定不變載荷作用的應力、應變大小的。機械手運動到各軸最大位移處，機械手的應力和應變最大。在機械手簡化模型副臂梁的側部施加豎直向下的100牛頓的力，模擬機械手的實際工作狀況[3]。

圖1 機械手結構示意圖

圖2 機械手應變云圖

圖3 機械手應力云圖

圖2和圖3分析云圖可見，機械手的副臂梁前端節點處的最大值為0.002mm，位移值較小。副臂梁與主臂梁前端連接部位的應力值最大為0.193MPa，機械手應力值不大，可以滿足實際生產的要求。

1.2 機械手振動模態分析計算

典型的無阻尼模態分析求解的基本方程是經典的特征值問題：

其中：[k]為剛度矩陣；{i}為第i階模態的振型向量(特征向量)；i為第i階模態的固有頻率（是特征值）；[M]為質量矩陣。

有許多數值方法可用于求解上面的方程，本文采用的是子空間(Subspace)法。子空間法使用子空間迭代技術，對計算機的內存要求低，計算精度很高，適用于大型特征值的求解問題。

現對樣機進行振動模態分析，以確定機械手機械結構的固有頻率和振型，機械手一般工作的頻率在0-660HZ之間，屬于低階頻率。因此在對結構進行模態分析時，重點考慮機械手系統的在此范圍內的振型，對低階頻率進行分析，在分析中給出了前四階振型圖。

由模態分析的結果如圖4所示可知，機械手的副臂梁、手臂從動梁前端節點處的位移較大。最大值為頻率為330HZ時，副臂梁的最大振幅達到0.134mm，共振現象明顯，在此頻率下會影響到機械手工作過程中取移制品的精確度。

1.3 機械手瞬態動力學分析

瞬態動力學分析的求解的基本方程是：

其中：[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{u}為節點位移向量。ANSYS程序使用Newmark時間積分方法在離散的時間點上求解這些方程。

本文對機械手在工作過程進行有限元仿真分析計算，得到了機械手在各種工況時的動力學響應曲線。在副臂梁位移的最大處選取一點觀察這一點在X方向（圖5）和在Y方向（圖6）位移隨頻率變化曲線。

可以看出在振動頻率為550HZ時，副臂梁位移最大點在X方向的最大位移為0.026mm，在Y方向振動頻率為440HZ時0.019mm。

圖4 機械手模態分析結果圖

圖5 X方向位移隨頻率變化曲線

圖6 Y方向位移隨頻率變化曲線

由此可以得出，機械手在承受靜力載荷和低頻振動的情況下位移值較大，需要改進以降低副臂梁在低頻振動時的最大位移。本文中在對機械手優化過程中，對副臂梁進行重新設計，目的是提高機械手的整體機械性能。

2 優化后的機械手進行分析

將機械手引拔梁的結構改進，如圖7所示。優化后的機械手，將氣壓缸的氣動部件改裝到側面，氣壓缸氣動部件通過副臂梁也有之前的雙排的改為單側，并將單側的副臂梁裝在氣壓缸的氣動部件上可以按工作要求移動，滿足機械手的移動行程。

圖7 改進后的機械手結構示意圖

通常，注塑機取模機械手的最大抓重是2千克(包括夾具重量）[6]。由于氣壓缸的氣動部件改裝到側面并直接和主臂梁接觸，所以大大的減輕了副臂梁上的壓力。經計算電磁閥箱、防落氣缸安裝板、引拔氣缸固定板、型材、氣缸等一些氣壓缸氣動部件占總重量的80%-83%之間， 針對改進后機械手實際工作狀況，將機械手運動到各軸最大位移處在機械手簡化模型的側部施加豎直向下的20牛頓的力，模擬機械手的工作狀況[7,8]。

如圖8所示，機械手的副臂梁、手臂從動梁前端節點處的位移較大。最大值為頻率為440HZ時，副臂梁的最大位移達到0.027mm。

在副臂梁位移的最大處選取一點觀察這一點在X方向（圖9）和在Y方向（圖10）隨頻率變化的位移圖?？梢钥闯鲈谡駝宇l率為110HZ時，副臂梁位移最大點在X方向的最大位移為0.010mm，在Y方向振動頻率為440HZ時0.003mm。

3 結論

圖8 改進后的機械手模態分析結果圖

圖9 X方向位移隨頻率變化圖

圖10 Y方向位移隨頻率變化圖

針對某注塑機械手建立有限元模型，分析可以得出機械在抓取制品時振動大，定位不準確，精確度不高。經諧響應分析證明原機械手模型前副臂下端的X、Y兩個方向個自由度方向振幅最大分別可以達到0.026mm、0.019mm。改進以后，兩個自由度方向的振幅有較大下降，此時的振幅最大值分別為0.010mm和0.003mm，取得了很好的減振效果，尤其在豎直方向（Y方向）降低了一個數量級，這對提高機械手的工作精度和可靠性是十分有利的。同時改進后的結構可以增加周邊的自由空間，達到了節約材料用量，控制成本的目標。

[1] 余達太, 等. 工業機器人應用工程[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1999.

[2] 張鐵, 謝存禧. 機器人學[M]. 廣州: 華南理工大學出版社. 2001.

[3] 周俊榮, 王龍. 基于注塑機的三伺服機械手的研究與發展[D]. 江門: 五邑大學, 2009.

[4] 陸建輝, 李豐亭. 基于MTMD的某注塑機械手振動控制研究[J]. 現代制造工程.2007, (12): 113-115.

[5] 吳振彪. 工業機器人[M]. 武漢: 華中科技大學出版社,1997.

[6] 朱洪濤, 萬志強. 注塑機機械手控制系統設計[D]. 南昌:南昌大學, 2007.

[7] UNECE, IFR. World Robotics 2005-Statistics, Market Analysis, Forecasts, Case Studies and Profitability of Robot Investment [M].Bethesda, Md. Lexis .Nexis, 2005.

[8] Klas Nilsson.Integrated Architecture for Industrial Robot Programming and control[J]. Robotics and Autonomous Systems, 1999, 29: 205-226.