熱沖壓生產(chǎn)線多層箱式爐機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)優(yōu)化

蘇志同

（青島科捷機(jī)器人有限公司，山東 青島 266000）

高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形（hot stamping 或Press hardening）技術(shù)的最大特點(diǎn)就是精度高、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕。面對(duì)全球的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，汽車工業(yè)節(jié)能減排已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢(shì)。采用高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)制造汽車零部件，既可以減輕車身重量又可以提高安全性，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性最佳的方法。

為保證熱成形沖壓件具有較好的沖壓質(zhì)量，成形前鋼板的溫度需要保證在約780℃以上，因此時(shí)間上要求加熱的鋼板在運(yùn)送至壓力機(jī)上沖壓之前，完全暴露在空氣中的時(shí)間要盡量縮短，一方面盡量減少空氣對(duì)加熱鋼板的氧化作用，另一方面提高生產(chǎn)效率。材料實(shí)測(cè)表明，板料從900 ～950℃開(kāi)始冷卻到780℃左右時(shí)，所用時(shí)間僅為6 ～8s。

采用工業(yè)機(jī)械手較為常見(jiàn)的直角坐標(biāo)機(jī)械手，它具有在三維空間中運(yùn)動(dòng)精度和可靠性高，特別是直線輸送速度高等優(yōu)點(diǎn)。由于生產(chǎn)線具備直線輸送的完全路徑，因此，直角坐標(biāo)機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)熱成形生產(chǎn)線冷熱坯料輸送系統(tǒng)的合理選擇。

1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析

1.1 雙倍節(jié)速原理

熱成形工藝是高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形-保壓冷卻相變的成形控制技術(shù)，熱沖壓成形生產(chǎn)線也比常規(guī)的冷沖壓成形生產(chǎn)線更為復(fù)雜。在熱成形生產(chǎn)線中，由于板料薄，表面積大，因此輸送中坯料極易冷卻降溫。而熱成形工藝對(duì)初始成形溫度要求很嚴(yán)格，這就要求從加熱爐取出熱坯料后要快速輸送到壓力機(jī)的模具上，對(duì)輸送機(jī)械手的快速性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性要求較高。例如在2 ～3s 輸送距離內(nèi)，要求1 ～1.5s 完成輸送，這就要求機(jī)械手的輸送速度達(dá)到2m/s。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究中采用的電機(jī)型號(hào)為HG-SR152J，2000r/min。雙倍節(jié)速的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將運(yùn)動(dòng)節(jié)設(shè)計(jì)成兩部分，讓伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一節(jié)沿固定方向運(yùn)動(dòng)（圖1），另一節(jié)隨之以雙倍的速度做同向運(yùn)動(dòng)（圖2）。雙倍節(jié)速的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅提高了機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)速度，縮短了輸送時(shí)間，而且還節(jié)省了運(yùn)動(dòng)空間，同時(shí)又提高了運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛性，對(duì)于輕質(zhì)、高速的輸送具有很好的應(yīng)用效果。本研究中雙倍節(jié)速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)距離為2.4m，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到2m/s。

圖1 伺服電機(jī)傳動(dòng)控制原理圖

由動(dòng)力學(xué)通用方程及電機(jī)特性曲線可知，在位移x 一定的情況下，不考慮改變阻尼和剛度系數(shù)的影響，減輕負(fù)載（即機(jī)械手）質(zhì)量M 能達(dá)到更快的速度，對(duì)提高機(jī)械手輸送速度有很好的效果。本研究中通過(guò)材料優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)減輕機(jī)械手的整體質(zhì)量。

圖2 雙倍節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖

電機(jī)通過(guò)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)節(jié)1 沿x 方向運(yùn)動(dòng)，雙倍節(jié)速的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)節(jié)2 及機(jī)械手末端也沿x 方向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)節(jié)1 質(zhì)量約140kg，運(yùn)動(dòng)節(jié)2 及機(jī)械手末端質(zhì)量約200kg。按額定機(jī)械手末端行程2.4m，對(duì)此機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，當(dāng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量從100%減輕到額定質(zhì)量70%的條件下，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1.2Sec，加速度為5m/s2,電機(jī)扭矩從1383 降低為968N·m，比原質(zhì)量條件下，降低了7.9%，扭矩幅值降低了約30%。對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行30%輕量化后，同樣的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。這樣更容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求的快速性技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，降低電機(jī)扭矩，節(jié)省能源。

1.3 穩(wěn)定性分析

輸送機(jī)械手在驟起或驟停的時(shí)候，會(huì)由于運(yùn)動(dòng)慣性偏離正常的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)生偏移和晃動(dòng)的情況。輸送機(jī)械手運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性主要指機(jī)械手在驟起或驟停的情況下能否快速回歸到正常運(yùn)動(dòng)軌跡，保證運(yùn)動(dòng)軌跡精度而不影響正常的作業(yè)。為驗(yàn)證機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)快速與穩(wěn)定性，采用激光跟蹤儀進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試。實(shí)測(cè)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多層箱式爐上下料機(jī)械手，在工作空間中五個(gè)不同作業(yè)高度的進(jìn)出爐方向穩(wěn)定性精度見(jiàn)表1。可見(jiàn)隨著Z 軸的升高，達(dá)到第五層高度時(shí)，其振動(dòng)頻率達(dá)到2.8 ～2.98Hz，振幅為±0.336mm；當(dāng)Z 軸降低到最低高度時(shí)，振動(dòng)頻率達(dá)到4.5Hz，振幅為±0.075mm。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，X 軸運(yùn)動(dòng)行程2.4m，運(yùn)動(dòng)軌跡最大誤差不超過(guò)0.03%，說(shuō)明本研究中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輸送機(jī)械手穩(wěn)定性能夠滿足工作要求。

2 結(jié)語(yǔ)

在熱成形生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)機(jī)械手群進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和協(xié)同工作策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了熱成形板料快速、平穩(wěn)的輸送，提高了生產(chǎn)效率。雙倍節(jié)速的結(jié)構(gòu)優(yōu)化節(jié)省工作空間，同時(shí)保證2m/s 以上的穩(wěn)定輸送速度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化減輕機(jī)械手質(zhì)量，從而降低電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，機(jī)械手能更快的達(dá)到設(shè)定的高速。多機(jī)械手協(xié)同工作使各機(jī)械手工作時(shí)間上并行，空間上互不干涉，生產(chǎn)效率提高了143%，熱料輸送完成僅需7s，充分利用時(shí)間、空間來(lái)高效完成熱成形生產(chǎn)。

表1 穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)