熱沖壓生產線多層箱式爐機械手的結構設計與運動優化

蘇志同

（青島科捷機器人有限公司，山東 青島 266000）

高強鋼板熱沖壓成形（hot stamping 或Press hardening）技術的最大特點就是精度高、強度高、質量輕。面對全球的能源危機和環境壓力，汽車工業節能減排已經成為不可阻擋的趨勢。采用高強度鋼板熱成形技術制造汽車零部件，既可以減輕車身重量又可以提高安全性，是同時實現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量，成形前鋼板的溫度需要保證在約780℃以上，因此時間上要求加熱的鋼板在運送至壓力機上沖壓之前，完全暴露在空氣中的時間要盡量縮短，一方面盡量減少空氣對加熱鋼板的氧化作用，另一方面提高生產效率。材料實測表明，板料從900 ～950℃開始冷卻到780℃左右時，所用時間僅為6 ～8s。

采用工業機械手較為常見的直角坐標機械手，它具有在三維空間中運動精度和可靠性高，特別是直線輸送速度高等優點。由于生產線具備直線輸送的完全路徑，因此，直角坐標機械手是實現熱成形生產線冷熱坯料輸送系統的合理選擇。

1 機械手的結構及運動分析

1.1 雙倍節速原理

熱成形工藝是高強鋼板熱沖壓成形-保壓冷卻相變的成形控制技術，熱沖壓成形生產線也比常規的冷沖壓成形生產線更為復雜。在熱成形生產線中，由于板料薄，表面積大，因此輸送中坯料極易冷卻降溫。而熱成形工藝對初始成形溫度要求很嚴格，這就要求從加熱爐取出熱坯料后要快速輸送到壓力機的模具上，對輸送機械手的快速性和運動穩定性要求較高。例如在2 ～3s 輸送距離內，要求1 ～1.5s 完成輸送，這就要求機械手的輸送速度達到2m/s。

1.2 結構優化設計

本研究中采用的電機型號為HG-SR152J，2000r/min。雙倍節速的結構設計是將運動節設計成兩部分，讓伺服電機驅動一節沿固定方向運動（圖1），另一節隨之以雙倍的速度做同向運動（圖2）。雙倍節速的結構設計不僅提高了機械手末端的運動速度，縮短了輸送時間，而且還節省了運動空間，同時又提高了運動結構的剛性，對于輕質、高速的輸送具有很好的應用效果。本研究中雙倍節速運動機構的運動距離為2.4m，設計運動速度可以達到2m/s。

圖1 伺服電機傳動控制原理圖

由動力學通用方程及電機特性曲線可知，在位移x 一定的情況下，不考慮改變阻尼和剛度系數的影響，減輕負載（即機械手）質量M 能達到更快的速度，對提高機械手輸送速度有很好的效果。本研究中通過材料優化及結構優化來減輕機械手的整體質量。

圖2 雙倍節結構原理圖

電機通過齒輪齒條驅動運動節1 沿x 方向運動，雙倍節速的結構設計帶動運動節2 及機械手末端也沿x 方向運動。運動節1 質量約140kg，運動節2 及機械手末端質量約200kg。按額定機械手末端行程2.4m，對此機械手進行動力學分析，當機械手的運動質量從100%減輕到額定質量70%的條件下，運動時間為1.2Sec，加速度為5m/s2,電機扭矩從1383 降低為968N·m，比原質量條件下，降低了7.9%，扭矩幅值降低了約30%。對運動部件進行30%輕量化后，同樣的運動時間。這樣更容易實現目標要求的快速性技術指標。同時，降低電機扭矩，節省能源。

1.3 穩定性分析

輸送機械手在驟起或驟停的時候，會由于運動慣性偏離正常的運動軌跡，發生偏移和晃動的情況。輸送機械手運動穩定性主要指機械手在驟起或驟停的情況下能否快速回歸到正常運動軌跡，保證運動軌跡精度而不影響正常的作業。為驗證機械手的運動快速與穩定性，采用激光跟蹤儀進行了動態測試。實測經過結構優化的多層箱式爐上下料機械手，在工作空間中五個不同作業高度的進出爐方向穩定性精度見表1。可見隨著Z 軸的升高，達到第五層高度時，其振動頻率達到2.8 ～2.98Hz，振幅為±0.336mm；當Z 軸降低到最低高度時，振動頻率達到4.5Hz，振幅為±0.075mm。

測試數據表明，X 軸運動行程2.4m，運動軌跡最大誤差不超過0.03%，說明本研究中結構優化的輸送機械手穩定性能夠滿足工作要求。

2 結語

在熱成形生產過程中，對機械手群進行結構優化和協同工作策略設計，實現了熱成形板料快速、平穩的輸送，提高了生產效率。雙倍節速的結構優化節省工作空間，同時保證2m/s 以上的穩定輸送速度。結構優化減輕機械手質量，從而降低電機的驅動扭矩，機械手能更快的達到設定的高速。多機械手協同工作使各機械手工作時間上并行，空間上互不干涉，生產效率提高了143%，熱料輸送完成僅需7s，充分利用時間、空間來高效完成熱成形生產。

表1 穩定性測試數據