基于發動機缸體壓鑄工業機器人末端操作器的設計*

范 娟，張新建*，楊家軍，2

(1.文華學院 機械與電氣工程學部，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 機械工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

發動機缸體壓鑄傳統工藝用專機和人工輔助將缸套鑲件嵌入模具，操控壓鑄機高速壓注鋁液至模具型腔，快速成型，開模后由專機與人工輔助將型腔內成型缸體取出。由于缸體本體約10 kg，取出勞動強度大，生產效率低且生產質量不高。

工業機器人自動化壓鑄生產(簡稱智能壓鑄島)已經在壓鑄行業得到廣泛應用。研究者一直致力于其性能改進，發動機缸體壓鑄島工作時，工業機器人末端操作器夾取缸套、鑲件推送缸套、夾取缸體，由于發動機型號較多，每款發動機缸矩差別，不同機型的發動機對應用不同工業機器人末端操作器，使行生產切換與生產故障頻繁。通過對8種機型發動機產品缸體間矩數據對比，缸體間矩最大1 129 mm，最小980 mm。SolidWorks建模設計法蘭盤快換方式實現末端操作器的切換，發現可實現其功能，但始終未解決一種末端操作器實現通用不同機型發動機生產。為了使不同機型發動機缸體共用一種末端操作器，研究人員通過采用伺服與鉸鏈機構實現機電控制等量變矩原理[1]，設計機構動作仿真，結果表明可實現不同缸矩抓取的要求。

本研究采用伺服等量變矩[2-3]，利用機械與電氣控制相結合以得到其預設結構數模，并通過測試實驗對結構設計進行驗證。

1 算法設計

1.1 末端操作器的描述

傳統缸體壓鑄工業機器人末端操作器外形圖如圖1所示。

圖1 傳統缸體壓鑄工業機器人末端操作器

工業機器人末端操作器是結合工藝需求設計的專用裝置，設計需求如表1所示。

表1 設計需求說明表

本研究中的末端操作器設計從輸送缸套裝置對接抓取4個缸套，在鑲入模具型腔時同時能夠推送4個缸套至定位底部，并且可自動變距適應用不同機型發動機缸體的生產。

缸體成型后缸體通用型末端操作器能夠滿足多機種發動機缸體取出，且與后工序機械不干涉。

1.2 設計相關分析

1.2.1 工業機器人參數介紹與運動路徑分析

本次項目選取ABB-IRB6640機器人，ABB-IRB6640機器人主要技術參數如表2所示[4]。

表2 IRB6640參數介紹

變距抓手的運動路徑包括位置的變化和姿態的變化。

工具坐標平移運動在基坐標的矩陣變換公式如下：

(1)

(2)

旋轉點在基坐標系里面的坐標矩陣變換包括繞x，y，z，3個方向的變換如下：

(3)

(4)

(5)

1.2.2 氣動控制夾持力計算

夾取缸套所需的最小夾緊力[5]為：

μF夾=G=Mg

(6)

式中：F夾—取件抓手的夾緊力；M—發動機缸套的重量。

取件抓手夾套與缸套之間的靜摩擦系數為0.2。

取件抓手和缸套抓手都采用氣壓驅動，則氣動控制夾持力為：

(7)

式中：D—氣缸缸徑；p—氣缸使用壓力，MPa；η—氣缸負載率。

1.2.3 伺服變距結構分析計算

末端操作器變距運動機構包括伺服電機、滾珠絲桿、直線導軌機構和鉸鏈機構。由伺服電機提供動力，驅動絲桿轉動，絲桿轉動帶動滑塊的移動，絲桿順時針轉動滑塊壓動連接桿，從而實現鉸鏈機構距離的收縮，逆時針轉動時滑塊向右移動，實現鉸鏈機構的伸展，達到等量變矩的功能。

變距機構的平面圖如圖2所示。

圖2 伺服變距結構圖

滑塊對連桿的推力為F1，滑動表面的摩擦系數為μ。絲桿的參數包括軸徑D、軸長L和節距p。發動機的參數包括電機轉速n，轉動慣量為J。

相關計算式如下：

(8)

(9)

(10)

式中：P—發動機的功率；n—轉速；T—發動機所產生的轉矩；Tf—絲杠產生的摩擦力矩；L—絲杠轉動的水平距離[6-8]。

鉸鏈機構整體受力分析簡化圖如圖3所示。

圖3 鉸鏈機構整體受力分析圖

其中：

∑FX=0F1=FX1+FX2；

∑Fy=0Fy1=Fy2。

鉸鏈的運動方式包括收縮和伸展，θ的角度范圍從90°～150°，鉸鏈桿的長度為120 mm，可滿足發動機缸體中心距為895 mm～1 129 mm的抓取要求。

2 結構設計

2.1 末端操作器主要運動結構設計

根據關鍵技術要求，本文設計了一種缸體通用型工業機器人末端操作器，其主要運動結構由4個部分組成：

(1)伺服變距結構適應不同型號發動機缸體制造，可快速切換缸體中心距，以達到生產要求。

伺服距結構設計圖如圖4所示。

圖4 伺服變距結構設計圖

(2)缸套抓取鑲件結構本末端操作器以四缸發動機缸套鑲件為導向設計，抓取鑲件結構為4個分支結構同一控制回路。

缸套抓取結構設計圖如圖5所示。

圖5 缸套抓取結構設計圖

(3)缸套鑲嵌結構缸套放入模具定位銷內，推入結構將其推入到位。

缸套鑲嵌結構設計圖如圖6所示。

圖6 缸套鑲嵌結構設計圖

(4)缸體取出結構夾持缸體本體，并能適應后工序的加工結構。

缸體取出結構設計圖如圖7所示。

圖7 缸體取出結構設計圖

2.2 末端操作器分解圖

由于壓鑄車間環境惡劣，工業機器人取鑲件末端操作器整體設計需考慮防護裝置，分解圖中涉及到23-頂出氣缸護蓋、35-水塵防護橡膠支撐鈑金、34-水塵防護橡膠等防護裝置的設計。

缸體工業機器人末端操作器分解圖如圖8所示。

圖8 缸體工業機器人末端操作器分解圖1-機器人連接法蘭；2-取件夾手固定板；3-變位夾手固定板；4-頂出氣缸固定板；5-取鑲件夾手右側板；6-取鑲件夾手后側板；7-頂出托板；8-頂出托板導板；9-頂出托板導板；10-頂出導板；11-頂出導桿導套；12-變位絲桿固定座；13-變位夾手固定座；14-變位絲桿螺母固定座；15-變位連桿A；16-變位連桿B；17-變位連桿銷A；18-變位連桿銷B；19-變位連桿D；20-變位連桿C；21-角接觸軸承座B；22-缸套推板；23-頂出氣缸護蓋；24-取件手指固定座；25-取件手指；26-變位連桿銷C；27-頂出氣缸連接器；28-變位夾手固定座B；29-角接觸軸承座端蓋B；30-夾手固定座B過渡塊；31-角接觸軸承座；32-角接觸軸承座端蓋；33-角接觸軸承座密封蓋板；34-水塵防護橡膠；35-水塵防護橡膠支撐鈑金；36-缸套夾手手指座；37-缸套夾手手指；38-schunk_PGN-plus300-1；39-SMC_CDQ2B8-50；40-SMC_MHSL3-40D-M9N；41-三菱伺服電機HF-KP23；42-傳動絲桿BNT 1605-26(THK)；43-傳動絲桿螺母BNT 1605-26(THK)；44-信號線航空插頭；45-孔卡38；46-導軌SR15W(THK)；47-滑塊SR15W(THK)；48-聯軸器SHC-35C(仕勛)；49-自潤軸承JDB-1_152130；50-自潤軸承JDB-1_162220；51-自潤軸承JDB-1_162240；52-自潤軸承JDB-1_303830；53-角接觸軸承7001 C；54-軸卡16；55-防水接頭

3 結束語

本研究介紹了發動機缸體工業機器人末端操作器，并通過伺服等量變矩結構分析計算，確認了核心部件理論設計的可行性。結構組立通過時效疲勞試驗，未發現異常，充分說明該設計的優越性。

采用伺服等量變距工業機器人取鑲件末端操作器結構設計，可大大提高了汽車發動機缸體壓鑄生產效率，實現快速變距切換機型的功能。

[1] 陳國強.工業自動化中的驅動與控制[M].北京：機械工業出版社，2016.

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