生產線搬運機構的研究

劉薇娜，吳 迪

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

生產線搬運機構的研究

劉薇娜，吳 迪

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

目前該生產線的物料搬運為人工搬運，效率低、耗時耗力，本文依據該生產線的實際情況研究了一種生產線半自動化搬運機構，對整個搬運機構進行了總體結構設計，對其軌跡進行了計算，對整個機構進行ANSYS受力分析，驗證了方案的可行性。

搬運機構;軌跡;ANSYS;半自動

0 引言

隨著工業化的發展和市場競爭的要求，對現在制造工業產品質量的穩定性、生產效率的要求越來越高。現在大部分的機械制造設備的生產效率都已近很高了，而且工藝也極盡完善，完成一個加工工序可能只需要幾秒或幾十秒的時間，但加工所需的集料和裝卡等環節，則因為人工上下料的時間遠遠超出了其設備加工時間，直接降低了生產設備的有效生產效率。因此在生產現場搬運機構的設計與優化成為一個工廠提高生產效率、降低綜合成本的一個必然選擇［4］。

目前生產線上搬運機構普遍呈現兩種狀態一種是完全由人工搬運，全人工作業存在作業周期長、工作效率低、費用高等問題。另一種是用搬運機械手，目前機械手大多采用氣缸或液壓缸結構，占地空間大，維修困難，維修成本高，對于中、小企業也不適合應用。針對以上問題，本文設計了一種半自動搬運機構，既降低了工人的勞動強度，又能達到自動搬運的效果，該機構成本低、效率高，操作簡單，若依據其原理對其進行改進可放置在各種不同的生產線或流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。

1 結構設計及工作原理

整個機構通過人工裝卡夾緊之后用伺服電機驅動搬運工件到下一個工作臺。圖1為搬運機構的一個夾緊部分，整個機構為對稱結構，此搬運機構通過對連桿機構的演變而設計，通過扳手帶動擺桿作為整個機構的驅動部分，再經過幾個連桿連接到夾頭，由夾頭完成夾緊運動。工件的一面為平面夾緊時底座的底面與工件的平面重合，由兩端夾頭夾住工件。機構的工作原理如圖2所示。

其中圖2中的各部分構件為:1.扳手;2.擺桿;3.連桿1;4.連桿2;5.限位銷釘;6.連桿3;7.連桿4;8.支撐座;9.限位銷釘;10.夾頭;11.固定板;12.底座。

要想完成夾緊運動，夾頭的運動軌跡是至關重要的，而夾頭的軌跡是由連桿4決定的，因此只要對連桿4進行合理的設計就能達到預期的夾頭軌跡。本文設計的銷釘2和支撐座底面的距離L一定，連桿4的寬度與L相同，故連桿4只能有繞著銷釘2旋轉以及沿著支撐座底面的上下運動。因此夾頭的夾緊運動分為兩步，第一、繞銷釘2旋轉到豎直狀態，第二、沿著支撐座底面豎直向上移動到工件位置完成夾緊。當夾緊完成之后由控制器控制電機驅動搬運機構到下一工作臺。

考慮到夾頭為易損部件，若長時間使用必然會產生磨損使夾緊不牢，若直接更換夾頭則成本較高，因此夾頭與工件接觸部分采用了易于更換的螺釘。

圖2 工作原理圖

2 運動軌跡的計算

2.1 自由度的計算

機構具有確定運動的條件是其原動件數等于其所有的自由度數，因此自由度的計算對于機構的合理性判斷至關重要。在進行自由度計算之前，要繪制出機構運動簡圖，這樣可以將與構件的外形、斷面尺寸、組成構件的零件數及固連方式等無關因素去除，方便分析。該機構的運動簡如圖3所示。

此機構中有6個低副和兩個高副，自由度計算公式為

其中PL為低副，PH為高副，從而由公式1得出此機構自由度為:

圖3 運動簡圖

2.2 夾頭的軌跡計算

軌跡計算是確定一點運動的常用方法，通過計算可以知道該點的運動軌跡，從而進行分析并進行機構設計，本設計就是采用軌跡計算方法來確定夾頭的運動的，本設計機構的簡化示意圖如圖4所示。圖示初始狀態為松弛狀態，要想確定夾頭運動軌跡只需確定(x1，y1)點的運動軌跡。

而(x2，y2)點的運動軌跡是固定的，由連桿4決定，其軌跡方程為:

初始位置(手柄豎直狀態)x1=40.5，y1=53，可由以上方程聯立得x2=10，y2=93.5。

L1、L2、L3、L4構成四連桿機構，由

圖4 軌跡計算示意圖

得當L1逆時針轉動90°(即手柄由豎直轉為水平)時L3的轉角為120°由此可確定x1=10，y1=27，由公式3-1可得x2=14.5，y2=77.5，由(x2，y2)的軌跡方程可知其運動軌跡為先沿銷釘2轉32°再向上移動10mm，達到了預期的軌跡。

3 受力分析

ANSYS是目前比較通用的有限元分析軟件，通過ANSYS的受力分析我們可以直觀的看出整個機構的變形，從而判斷機構是否符合設計要求。

在本設計中夾頭部分受力最大，而且所受載荷為靜載荷，因此對機構進行了靜力學分析，受力分析變形結果如圖5，從圖中可以看出整個機構在夾頭部分變形最大，變形量為7.5303e-6，其變形很小，符合設計要求。

4 結語

根據生產線具體的搬運要求，以上設計了一種半自動化搬運機構，并對其夾緊部分的軌跡進行計算，對整體機構進行了ANSYS分析。

經初步實驗證明:該機構設計緊湊，使用方便，適合生產線的流水作業，符合設計要求，為類似機構設計提供了參考。

圖5 受力分析變形圖

［1］孫桓.機械原理［J］.北京:高等教育出社，2006.

［2］屈鈞利.工程結構的有限元分析［J］.西安:西北工業大學出版社，2004.

［3］劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS［J］.北京:清華大學出版社，2002.

［4］周壽明，鄧成良.可用于生產線的工業機器人研究［J］.科技創新導報，2008(27):59-60.

［5］彭文生，黃華梁.機械設計［M］.武漢:華中理工大學出版社，1996.

Research on the Transportation Mechanism of Production Line

LIU Wei-na，WU Di
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

At present，manual transportation with low efficiency as well as large time-consumption and labor-consumption，is the main means for handling materials in production lines.Based on the actual situation of the production line，this paper presents a semi-automated transportation mechanism，and then it makes an overall structural design for the entire transportation mechanism，calculates its trajectory and carries out ANSYS stress analysis to verify the feasibility of the program.

transportation mechanism;track;ANSYS;semi-automation

TP241.2

A

1009-3907(2013)12-1585-03

2013-10-09

劉薇娜(1956-)，女，吉林長春人，教授，博士生導師，主要從事精密、超精密加工、檢測技術研究。

book=360,ebook=379

責任編輯:

吳旭云