平板玻璃上下片機械手執行機構結構設計

華明明 王文成 石巖 張鐵壁

1、河北省工業機械手控制與可靠性技術創新中心 2、滄州市工業機械手控制與可靠性技術創新中心3、河北科技師范學院 4、河北水利電力學院

引言

工業機械手現已廣泛應用在汽車、電子、半導體等行業的生產線上，已經成為自動化生產線上的重要組成部分[1,2]。機械手在生產線上有顯著的優勢，然而機械手在玻璃行業的應用較少，磨邊機的生產線自動化程度低，使用人工加工上下片玻璃，生產效率低，危險較高[3,4]。本論文設計的機械手可以自動完成上下料任務，快速定位，自動檢測，與磨邊機的對接方便穩定，提高了磨邊機的工作效率，代替人工，降低成本。

1 整體布局結構設計

根據平板玻璃輸送的工況要求，設計的機械手自動上下玻璃系統總體布局方案如圖1 所示，其主要由執行機構（抓取機構和翻轉機構）、平移機構、傳送機構、底架四部分組成。機械手的工作流程如下：抓取機構通過吸盤真空抓取待加工玻璃，然后經過平移、翻轉動作把待加工玻璃放到傳送機構上，傳送機構把玻璃準確送到磨邊機進行加工，加工完成的玻璃經過傳送機構、平移機構、執行機構放到指定位置。

圖1 總體布局方案示意圖

2 執行機構的結構設計

執行機構作為機械手的重要組成部分，是機械手完成指定動作的關鍵。機械手工作過程中，執行機構完成平移、翻轉、抓取玻璃動作，最后放到傳送機構上。執行機構結構圖如圖2 所示，其主要由大臂、小臂、翻轉架、軸承法蘭、軸、魚眼接頭、吸盤、真空發生器、雙層吸盤架組成。

圖2 執行機構結構圖

3 基于Solidworks/Motion 的執行機構動力學分析

3.1 仿真模型創建

執行機構中形成的四桿機構是機械手的重要零部件，通過三維建模，并用Solidworks Motion 插件分析運動過程中四桿機構各支點的反作用力。首先對三維模型進行簡化，對各個零件進行材料指定，在大臂處添加旋轉馬達，使用數據點定義馬達，旋轉角度隨時間變化，0 秒到3 秒翻轉升，3 秒到6 秒翻轉降，然后添加豎直向下的引力，在吸盤架處添加豎直向下1000N 的力，均勻分布在吸盤架的表面，設定運動的時間為6s，從吸玻璃到放玻璃，即翻轉的整個過程，進行求解，得到四桿機構各支點的反作用力隨時間變化的曲線，如圖3 所示。

圖3 各支點反作用力隨時間變化曲線

3.2 受力最大時大臂應力仿真分析

通過對四桿機構各支點作用力和執行機構的結構分析，可以得知在3 秒時，機構受力最大，大臂是整體薄弱的零部件，使用剛柔耦合分析的方法，分析大臂在2.99 秒到3.01 秒運動過程所受到的應力、位移變化，應力和位移云圖如圖4 及圖5 所示。

圖4 應力云圖

圖5 位移云圖

3.3 仿真結果分析

3 秒時，該執行機構和玻璃垂直于地面，此時四桿機構受力最大，分析該位置時大臂處應力云圖可以得到，最大應力分布在大臂與軸和大臂與小臂鉸接處，為1.308×108N/m2，使用的材料為普通碳鋼，其最大屈服力為2.206×108N/m2，結構強度設計滿足要求，由位移云圖可得，最大變形量為1.95mm，對整個大臂結構幾乎沒有影響，所以設計符合要求。

4 結論

設計了機械手結構并對其執行機構進行了動力學分析，結果表明，設計的機械手執行機構動作符合要求，通過仿真分析，執行機構處于3 秒時，其各部件受力最大，其中大臂受力最大，使用剛柔耦合分析的方法，得出大臂的應力云圖，數據表明，結構符合設計要求。