基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的注塑機(jī)的取件及嵌件治具的設(shè)計(jì)

郭金艷，沈精虎，張岐家

（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

在現(xiàn)代精工機(jī)械化生產(chǎn)中，機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)中的比重日趨增多。直角坐標(biāo)機(jī)器人作為一種容易操作并趨于成熟的機(jī)型，廣泛應(yīng)用于注塑、鈑金、包裝、檢測(cè)、碼垛以及物流自動(dòng)化等各種生活生產(chǎn)中[1]。

在注塑機(jī)的取件及嵌件的方面，目前的狀況是由許多成型機(jī)成型后由人工上料，完成取件、嵌件的工作，每臺(tái)成型機(jī)需要多名工人輔助，上料站立式工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作繁瑣，容易造成疲勞、 生產(chǎn)效率和良品率低的狀況。機(jī)器人的應(yīng)用將會(huì)解決這類問(wèn)題，為工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了保證。

機(jī)械手在注塑機(jī)上的整體布局如圖1所示，總體設(shè)計(jì)包括機(jī)械手、治具、注塑機(jī)、工裝成品存放架等部分。機(jī)械手根據(jù)注塑機(jī)的開(kāi)模、合模緊密配合生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行動(dòng)作，提高工作效率，提高產(chǎn)量。

圖1 整體布局

本文研究基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的對(duì)手機(jī)殼成品取件及螺母嵌件的治具裝置的設(shè)計(jì)，利用機(jī)器實(shí)現(xiàn)自成型機(jī)中取件，并完成螺母嵌件及其他嵌件的安放，并對(duì)其中的連接件分析計(jì)算，利用SolidWorks Simulation軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，為其優(yōu)化及設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論支持。保證在生產(chǎn)過(guò)程中的可靠性，延長(zhǎng)機(jī)器的壽命，提高工作效率和良品率，節(jié)省人工成本，提高自動(dòng)化率，減少人員管理風(fēng)險(xiǎn)。

1 治具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

治具完成取成品件和嵌螺母的動(dòng)作，根據(jù)產(chǎn)品需要對(duì)治具進(jìn)行設(shè)計(jì)，所取產(chǎn)品為手機(jī)外殼，所嵌件為螺母。

治具結(jié)構(gòu)如圖2所示。治具由雙軸氣缸、頂針氣缸、吸盤組件、氣抓連接板、特制吸嘴和定位導(dǎo)柱組成。

圖2 治具結(jié)構(gòu)

1.1 抓取產(chǎn)品部分設(shè)計(jì)

抓取產(chǎn)品部分：吸盤組件，根據(jù)表面光滑，形狀規(guī)整，且質(zhì)量較小的產(chǎn)品特性，選用吸盤方式吸取產(chǎn)品，能保證在注塑機(jī)內(nèi)取出產(chǎn)品后不變形。

真空吸盤的直徑計(jì)算公式為：

d：吸盤直徑（mm）

M：負(fù)載重量（kg）

S：安全系數(shù)

P：真空度（-kPa）

其中，安全系數(shù)與吸取方向有關(guān)，水平吸取時(shí)取值為2，垂直吸取時(shí)取值為4，吸取方向如圖3所示。

圖3 吸盤吸取方向

由計(jì)算可得吸盤直徑為7.8mm，取標(biāo)準(zhǔn)直徑10mm。

為提高效率，每個(gè)周期完成兩套產(chǎn)品一起抓一起放。抓取產(chǎn)品示意圖如圖4所示。

圖4 抓取產(chǎn)品示意圖

1.2 吸取螺母部分設(shè)計(jì)

吸取螺母部分：真空吸嘴吸取螺母，選用精度高，不占空間，靈活度高的頂針氣缸，適用于螺母等面積、質(zhì)量不大的產(chǎn)品。其中吸嘴上方的彈簧起柔性保護(hù)作用，氣抓吸取螺母示意圖如圖5所示。

圖5 氣抓吸取螺母示意圖

2 治具動(dòng)作

根據(jù)任務(wù)要求，選用牛頭式直角坐標(biāo)機(jī)器人，完成三維坐標(biāo)空間內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)，并在末端設(shè)計(jì)專門的治具，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行吸取、釋放的動(dòng)作。保證在吸氣、斷氣時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)工件松開(kāi)或脫落的狀況，并且吸取、釋放的位置確保正確、到位。

機(jī)械手治具依附于直角坐標(biāo)機(jī)械手在注塑機(jī)上動(dòng)作，治具安裝在翻抓上，其總體工作流程如圖6所示。因負(fù)載相對(duì)較小，因此可以采用控制簡(jiǎn)單靈活，安全可靠，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易操作的氣動(dòng)方式進(jìn)行抱取、吸取，實(shí)現(xiàn)取件、嵌件，完成規(guī)定要求動(dòng)作。

圖6 工作流程

3 對(duì)受力件有限元分析

治具在吸取產(chǎn)品時(shí)，其中鋁條受力件會(huì)承受氣缸推力以及壓板和產(chǎn)品的重力，以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度滿足要求[4]。利用SolidWorks Simulation軟件分析主要分為以下三個(gè)步驟[2]：

1）預(yù)處理：建立幾何模型，定義分析類型，添加材料屬性，施加載荷及約束，劃分網(wǎng)格，形成有限元模型。

2）求解：用指定的求解類型及求解模式計(jì)算得出所需結(jié)果。

3）后處理：查看并分析結(jié)果。

對(duì)主要受力連接件受力分析，鋁條模型如圖7所示，材料為6061鋁合金，屬性如表1所示。首先對(duì)鋁條進(jìn)行模態(tài)分析，前處理鋁條網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖7 鋁條模型

表1 6061鋁合金材料屬性

圖8 前處理鋁條

在分析時(shí)，視鋁條中間兩孔為固定約束，在兩端分割面處受到的外力作用，由稱重可得為0.25kg。通過(guò)求解、處理得到一階到五階固有頻率如圖9所示。

圖9 固有頻率

由于氣缸推動(dòng)鋁條向下吸取產(chǎn)品時(shí)的頻率為0～600HZ，與其固有頻率相差較大，因此，不會(huì)存在產(chǎn)生共振的可能。其一階、二階振型如圖10、圖11所示。

圖10 一階振型

圖11 二階振型

對(duì)鋁條進(jìn)行靜力分析，可得應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D12、圖13所示。

圖12 鋁條應(yīng)力圖

圖13 鋁條變形圖

由應(yīng)力、變形圖可知，最大應(yīng)力為3.538MPa，最大變形量為0.0012mm。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)于6061系鋁合金，屈服強(qiáng)度為55Mpa，因此強(qiáng)度符合要求；其0.0012的變形量滿足工程精度要求，可準(zhǔn)確吸取產(chǎn)品[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于直角坐標(biāo)機(jī)器人，選用牛頭式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的取件及嵌件的治具工作，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的合理化進(jìn)行分析計(jì)算。提高了生產(chǎn)效率，滿足了客戶的自動(dòng)化需求，緊密配合生產(chǎn)節(jié)拍，大大減少人力，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合，為工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了保證。

[1]張蓉,王春潔,王國(guó)棟,等.基于FMEA和FTA的三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)可靠性仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2006.25(6):651-654.

[2]陳超祥,葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社,2003.

[4]郭永剛,負(fù)超,黃榮瑛.水火成型機(jī)器人橫梁有限元計(jì)算與分析[J].現(xiàn)代制造工程,2003(12):87-88.