一種碳纖維氣瓶自動安裝工裝桿機械手的設計與研究

田會方，盛 強，吳迎峰，汪 健

（武漢理工大學機電工程學院，武漢 430070）

0 引言

碳纖維氣瓶具有著優越的性能，其氣密性好，耐腐蝕，可靠性高，同時由于碳纖維纏繞層結構，其密度小、剛性好、抵抗變形能力強，因高速碰撞而破壞時不會形成危險性碎片，碳纖維氣瓶優越的性能使其廣泛應用于航空、航天和民用眾多領域[1-2]。纏繞成型工藝是碳纖維氣瓶生產中的重點工序[3]，纏繞加工前，需把氣瓶工裝桿安裝擰緊于氣瓶口上，目前的碳纖維氣瓶纏繞生產線采用人工對氣瓶安裝工裝桿，人工勞動強度大，生產效率低，造成了碳纖維氣瓶纏繞生產線生產效率低下，嚴重影響了其生產效益。

根據目前碳纖維氣瓶纏繞生產線情況，本文設計了一種自動對氣瓶安裝工裝桿的機械手裝置，并將安裝好工裝桿的碳纖維氣瓶輸送往下道工序。

1 整體結構設計

1.1 機械手工作流程

自動安裝工裝桿機械手裝置由機械手、氣瓶、工裝桿定位小車、輸送機和氣瓶安裝工位組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 碳纖維氣瓶安裝工裝桿機械手整體結構圖

首先由人工對氣瓶定位小車進行氣瓶上料，設置2個氣瓶定位小車輪番上料，同時，對工裝桿定位小車進行工裝桿上料并推送至指定位置處定位。機械手在氣瓶定位小車處抓取氣瓶，將其搬運到氣瓶安裝工位后釋放氣瓶，然后氣瓶安裝工位夾緊氣缸夾緊，此時機械手移動至工裝桿定位小車位置，抓取工裝桿搬運至氣瓶安裝工位上方，機械手C軸電機旋轉將其擰緊于碳纖維氣瓶上。過程流程圖如圖2所示。

圖2 機械手安裝工裝桿工作流程圖

為了提高人工對氣瓶上料的易操作性，定位圓筒設計為喇叭口形狀，小車前端焊接2個定位銷，角鐵固定于地面，角鐵垂直面開有2個銷孔，氣瓶上料完成后，將小車前面的定位銷推向角鐵的定位銷孔，達到對氣瓶定位的目的。工裝桿的定位采用定位圓柱定位，在鐵板上安裝有50個定位圓柱，可對50個工裝桿進行定位，對定位小車的定位采用同樣方式，小車上有2個定位銷，與固定于地面的角鐵上的定位孔配合達到對工裝定位小車定位的目的。工裝定位小車上的全部工裝桿抓取安裝完畢后，人工更換工裝小車重新供給機械手的抓取。

運輸機用于將安裝好工裝桿的氣瓶輸送出去，供下道工序機械手直接抓取。由于需要對氣瓶進行準確定位，輸送機采用伺服電機與滾珠絲桿驅動，輸送機上方設置3個喇叭口定位圓筒，當機械手完成3個氣瓶的工裝桿安裝時，伺服電機動作并將其輸送到輸送機的另一端，等待下道工序機械手抓取，抓取完成后，伺服電機再次動作，將空的圓筒運回，如此循環。

1.2 機械手詳細結構設計

1.2.1X、Y、Z軸結構設計

機械手X、Y、Z軸結構如圖3所示。

圖3 機械手X、Y、Z軸結構圖

機械手的機構類型可以劃分為關節坐標型、球坐標型、圓柱坐標型、直角坐標型、平面關節型和并聯型，其中，直角坐標型精度和剛度高，運動學求解簡單[4]，本文選擇直角坐標型進行設計。根據需要，機械手在搬運氣瓶及工裝桿的過程中需完成平面內的移動，需要2個自由度，由于氣瓶和工裝桿的高度不一致，以及機械手移動時的讓位，需要1個豎直方向上的自由度，在將工裝桿擰緊于氣瓶上時，需要夾緊工裝桿并做旋轉運動，故還需要1個旋轉自由度，因此機械手一共需要4個自由度，即X、Y、Z軸的平移運動和C軸的旋轉運動。由于抓取時需要獲取精確的位置，電機均采用交流伺服電機[5]，X、Y、Z軸傳動方式均采用直線導軌加滾珠絲杠，把電機的旋轉運動轉換為絲杠螺母的直線運動。為了保證機械手受力的平衡性，Z軸采用了雙電機同步驅動[6]。伺服電機通過聯軸器與滾珠絲杠相連接，絲杠螺母用螺栓與Y軸橫梁連接固定，以實現Y軸橫梁的上下運動。Y軸電機通過連接件固定于Y軸橫梁下方，設置滾珠絲桿進行傳動，實現機械手沿Y軸方向的平移運動，設置連接件1，通過螺母帶動連接件1運動，連接件1與X軸橫梁通過螺栓連接，X軸橫梁一端設置連接件固定X軸電機，并設置絲桿傳動實現機械手沿X軸方向的平移運動。

1.2.2C軸結構設計

機械手C軸結構如圖4所示。

圖4 機械手C軸結構圖

設計連接件3，與連接件2用螺栓固定，連接件3下端做成L型，旁邊安裝C軸伺服電機。連接件3下方安裝蝸輪蝸桿減速器，以降低轉軸轉速，轉軸豎向放置，上端用擋板和螺栓固定，防止軸向下竄動，下端用軸肩固定，防止軸的向上竄動。轉軸下方與末端執行器通過鎖緊螺母鎖緊。

末端執行器氣缸采用雙作用氣缸，氣缸桿伸出時，六桿機構帶動夾爪放松，氣缸桿縮回時，六桿機構帶動夾爪夾緊。為了增大夾爪與氣瓶口之間的摩擦系數，在夾爪內側面覆蓋一層聚氨酯材料。

1.2.3 末端執行器設計

末端執行器的結構簡圖及受力分析如圖5所示。

圖5 末端執行器結構簡圖及受力分析圖

末端執行器由六桿機構構成，氣缸桿縮回時，夾爪夾緊氣瓶口。氣缸縮回時拉力為F0，六桿機構為對稱機構，故一邊的作用力：

將力F1沿桿3方向分解為2個分力，分力F35為桿3對桿5的作用力：

則末端執行器夾爪對氣瓶口的夾緊力為：

綜合（1）（2）（3）各式，可得：

2 關鍵零部件有限元分析

2.1 橫梁、支撐柱的輕量化設計

機械手的橫梁與支撐柱采用方管和矩管制作，不同型號的方管和矩管有不同的重量和力學性能，需選擇合適的型號的管材既能滿足機械手運行要求，又使得機械手最為輕便。

對于X軸橫梁而言，X軸橫梁水平放置，查閱相關資料可知，導軌的直線度誤差在水平面內允許差值為0.3 mm。當末端執行器運行到電機一側的極限位置時，X軸橫梁將發生最大變形。初選X軸的方管型號為150，在Creo軟件中建立方管模型，并轉換格式導入到Ansys work?bench中進行有限元分析[7]。分析X軸橫梁的受力，X軸橫梁中間部位被上部連接件固定，為固定支撐，電機側受到末端執行器、碳纖維氣瓶及C軸電機，減速器等的總重量，計算可得為737 N。對X軸橫梁施加以上載荷及約束，可得出X軸橫梁的最大變形及最大應力如表1所示。按照以上分析方法，依次在Ansys workbench中分析方管型號為130、100、80時的變形及最大應力，分析結果如表1所示。

表1 X軸橫梁各型號方管最大變形及最大應力

由表1可見80～150的方管有限元分析所得的最大變形，其中100 mm方鋼的最大變形剛好在0.3 mm范圍以內。最大應力隨方管的減小有增大趨勢。考略到方管的型號尺寸越小，質量越輕，以及最大應力、變形的情況，本次設計采用100 mm×100 mm的方管，厚度為8 mm。

對于Y軸橫梁而言，受載類型與X軸相同，其導軌直線度誤差允許差值在水平面內為0.3 mm。當X軸橫梁與末端執行器均運行到Y軸橫梁的中間位置時，會發生最大變形。為了便于Y軸橫梁兩側安裝絲桿螺母，Y軸橫梁選用矩管制作，初選矩管的型號為160×65，在Creo中建模，并在橫梁上部設計加強筋結構（圖1）。將設計的模型轉換格式導入Ansys workbench中，然后將兩側絲桿螺母孔位置施加固定約束，橫梁中間施加豎直向下的載荷，大小為Y軸橫梁及其下部構件的總重量，計算可得為2 696 N。用同樣的方法，分別對型號為150×50、120×40矩管做同樣的有限元分析，分析結果如表2所示。

表2 Y軸橫梁各型號矩管最大變形及最大應力

由表2可見，隨著方管的尺寸的減小，其最大變形有增加的趨勢，矩管尺寸為150 mm×50 mm時，其最大變形剛好在0.3 mm以內。結合變形、應力及方管質量輕便上的考慮，此次設計采用150 mm×50 mm的矩管，厚度為8 mm。

對于Z軸支撐柱而言，Z軸支撐柱豎直放置，查閱相關資料可知，導軌在豎直平面內的直線度允許差值為0.02 mm。兩側的兩個支撐柱均攤機械手總的重量。結合以上對X軸、Y軸橫梁的確定，可求得中間機械手部分的總重量為2 048 N，均分到一側，并加上一側絲杠、導軌、電機的重量，一側立柱所受載荷為1 317 N。初選方管的型號為200，在Ansys workbench中添加載荷和約束，可求得最大變形及最大應力如表3所示。用同樣的方法，求得方管型號為160、120、100時的最大變形及最大應力如表3所示。

表3 Z軸支撐柱各型號方管最大變形及最大應力

由表3可知，隨著方管尺寸的減小，Z軸支撐柱最大變形有增大趨勢，最大應力逐步增大，其中200 mm的方管尺寸最大變形剛好在0.02 mm以內，故Z軸支撐柱采用200 mm×200 mm的方管，厚度為10 mm。

2.2 末端執行器的有限元分析

末端執行器需要進行有限元分析，確認其在夾取及搬運氣瓶過程中變形及最大應力在合理范圍之內。末端執行器連桿及氣缸架采用Q235結構鋼制作，Q235結構鋼的材料力學性能如表4所示。

表4 Q235結構鋼材料力學性能

在Creo中對末端執行器進行建模，轉換格式并導入Ansys workbench中，對末端執行器的氣缸架施加固定約束，氣瓶質量為7 kg，對末端執行器夾爪處施加豎直向下的載荷68.6 N，可求得末端執行器的最大變形及最大應力，如圖6、7所示。

圖6 末端執行器總變形云圖

圖7 末端執行器應力云圖

從圖中可看出，末端執行器的最大變形約為0.084 mm，末端執行器工作時，不影響對工裝桿的夾緊及安裝。末端執行器的最大應力約為10.8 MPa，遠小于Q235結構鋼的屈服強度235 MPa，其最大變形及最大應力在合理范圍之內，故設計合理。

3 機械手運動仿真

通過對機械手進行運動仿真，得出機械手運行時的位移、速度曲線，可確定機械手搬運氣瓶時運行的穩定性。機械手搬運氣瓶時涉及X、Y、Z軸的平動，在安裝工裝桿時涉及C軸的旋轉運動，仿真時，可以讓機械手4軸一起運動，若此時機械手運行穩定，則結構穩定可靠。由于計算機性能的限制，在將模型導入Adams前，可對機械手做相應簡化。去掉各個橫梁、支撐柱上的電機、導軌滑塊，增加相應的重量的重塊以保證重力不變。末端執行器夾緊氣瓶后，與氣瓶連接為一體，可對末端執行器做相應的簡化，并保證重量的不變。將機械手簡化并保存為parasolid格式導入Adams中[8]。對機械手的X、Y、Z軸添加滑移副，對C軸添加旋轉副，并在各運動副上添加相應滑移驅動和旋轉驅動。點擊仿真按鈕，可見機械手夾緊氣瓶沿著X、Y、Z、C軸平移及旋轉運動。添加氣瓶在運動時的位移及速度曲線，可得到仿真結果，如圖8所示。

圖8 機械手速度、位移曲線

由圖中可見，機械手搬運氣瓶運行時，氣瓶速度曲線穩定不變，各軸位移分量勻速變化，故設計的機械手機構能平穩的運行，滿足設計要求。

4 結束語

本文對碳纖維氣瓶纏繞生產線自動安裝工裝桿機械手進行了詳細的結構設計，對安裝流程進行了說明，并介紹了雙電機同步控制的控制方法。對機械手中的重點零部件，各橫梁、支撐柱進行了Ansys有限元分析和討論，分析結果表明設計的機械手滿足強度要求，并對機械手進行了Adams運動學仿真，仿真結果表明所設計的機械手運行平穩，滿足設計要求。