磁瓦碼垛機械手設計與分析

付柯錦，胡曉兵，歐陽旭東，徐興偉

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

在電機中，磁瓦質量的好壞對電機的性能有著重要的影響，隨著工業發展，對磁瓦的需求量越來越大，磁瓦生產過程中存在多粉塵、高溫等惡劣工況，同時，碼垛是一種重復性高，勞動強度大的工作，基于提高生產效率，減少人工成本，提高操作人員的安全性和舒適性[1]等目的，設計了一種基于數控系統控制的磁瓦碼垛機械手，該機械手的三維圖如圖1所示。

圖1 磁瓦碼垛機械手設計3D圖

1 機械手組成

機械手一般由控制系統，驅動機構和執行機構等各部分組成[2]。該機械手采用數控系統控制，具有高穩定性，高可靠性，采用G代碼編程，操作簡單，維修方便。

驅動系統采用伺服驅動器與伺服電機，由于電機驅動的負載主要是模組的重量，所以電機選型的參數主要由選用的模組確定，驅動機構采用二維坐標設計的運動模組，同步帶傳動。

執行部分采用直線氣缸，實現機械手的上升/下降，短行程直線氣缸，實現翻轉動作，最末端采用氣爪，來實現機械手夾緊與放松。為了實現運動信號控制，需要在氣缸上裝位置傳感器[3]。圖2為執行部分的三維圖與實物圖。

圖2 機械手執行部分三維圖與實物圖

2 碼垛機械手控制系統方案的設計

從機器人功能出發，對機械系統分析可知，需要控制的元器件（輸出信號）有：X、Y軸伺服電機、Z軸直線氣缸、短行程直線氣缸、氣爪；傳感器信號（輸入信號）有：X、Y軸模組限位信號2×2、Z軸直線氣缸2個、短行程直線氣缸2個、氣爪2個；方案原理如圖3所示。

從圖中可以看出，數控系統通過通用I/O板，發出信號控制繼電器通斷，繼而控制電磁閥換向，來控制氣缸的動作，氣缸上的傳感器返回信號，完成運動反饋控制。傳感器采用圓柱形磁性接近開關，安裝在氣缸兩端，當氣缸活塞運動到傳感器所在位置時，傳感器發出信號，表示氣缸已經達到了行程的極限。

圖3 控制系統方案原理圖

3 機械手關鍵部件的有限元分析

由于執行部分安裝在Y軸上，Y軸一端與X模組上的工作臺固聯，所以可看作是一個懸臂梁模型，需要對其進行應力分析，檢驗模組的剛度是否達到要求。由于模組機械結構復雜，導致有限元分析的效率很低，分析時對模組的機械模型進行簡化，將之簡化為5mm厚度的鋁合金殼體進行分析。該簡化模型的剛度要低于模組的實際剛度，因此，只要簡化模型能滿足對模組剛度的需求，所選用的模組便能更好的適應工況。這里應用的是SolidWorks軟件里的Simulation有限元分析軟件[4]，來對Y模組進行分析。

3.1 定義材料屬性、添加夾具、施加載荷

簡化模型材料選為1060鋁合金，材料的彈性模量為69GPa，質量密度為2.7×103kg/m3，根據Y模組的實際安裝情況添加夾具，設計最大碼垛重量為2kg，執行部分機械爪重量約為3kg，所以模組承受的最大載荷約為50N，施加在模組末端。

3.2 分析結果

劃分網格后，進行分析運算。

圖4 Y模組應力分析

圖5 Y模組位移（合位移）分析

圖6 Y模組等量應變分析

由運算結果圖解分析，可得出該種工況下，Y模組所承受的最大應力為2.85MPa，而材料的最大屈服應力為27.5MPa，所以能夠安全工作，由合位移圖解得出Y模組最大位移量為0.059mm，位移量很小，能夠滿足要求。

4 結束語

根據磁瓦生產線自動化需要，從磁瓦碼垛工作的特點出發，設計了一種基于數控系統的碼垛機械手，給出了控制系統方案，并對機構的關鍵部分進行了有限元分析，分析結果表明，由于負載較小，機構的強度能滿足工作要求，其剛度也能保證機構在工作時能有足夠的精度。

[1]蔡鶴皋.機器人技術的發展與在制造業中的應用[J].機械制造與自動化,2004.33(1):67.

[2]孫樹棟.工業機器人技術基礎[M].西安:西北工業大學出版社,2006.

[3]朱梅.基于機械手的全氣動或電氣動控制設計[J].液壓與氣動,2004(1):34.

[4]陳超祥,葉修梓,等.Solidworks Simulation基礎教程[M].北京:機械工業出版社,2010.