雙電磁吸盤(pán)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

田永慶

（徐州開(kāi)放大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

機(jī)械手上下料的優(yōu)勢(shì)主要有降低人工成本，有效提高工業(yè)生產(chǎn)效率與產(chǎn)品的質(zhì)量水平。傳統(tǒng)的人工上下料無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，因此，將上下料機(jī)械手有效應(yīng)用于生產(chǎn)制造中具有積極的意義。通過(guò)設(shè)計(jì)組合式的電磁吸盤(pán)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電磁吸盤(pán)的對(duì)稱(chēng)安裝，提高機(jī)械手爪的可調(diào)節(jié)程度。

1 雙電磁吸盤(pán)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手爪在機(jī)械手中的作用主要是抓取零件。雙電磁吸盤(pán)機(jī)械手爪作為圓管與支架的工具，擁有兩個(gè)功能、結(jié)構(gòu)一致的電磁吸盤(pán)，其中，絲杠的兩端分別有兩個(gè)相同的電磁吸盤(pán)。電磁吸盤(pán)之間的距離能夠通過(guò)有效調(diào)節(jié)絲杠完成，在抓取長(zhǎng)度不同的工件時(shí)具有積極的作用。

1.2 電磁吸盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支架與圓管組成防撞梁，電磁吸盤(pán)的設(shè)計(jì)在抓取圓管的基礎(chǔ)上，對(duì)支架進(jìn)行合理的抓取，能夠提高其利用效率。除此之外，電磁吸盤(pán)的形狀和尺寸也能夠通過(guò)合理測(cè)量被吸取對(duì)象后進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，平面吸盤(pán)可以有效夾取支架，但在具體應(yīng)用中存在一定的缺陷，所以，通過(guò)設(shè)計(jì)吸取支架和圓管的弧面組合式電磁吸盤(pán)為最佳選擇。弧面組合式電磁吸盤(pán)的主要構(gòu)成有平面磁吸面、弧面磁吸面、鐵芯、隔磁板以及外殼等。其中，鐵芯的長(zhǎng)寬高由比例為3∶2∶5的金屬導(dǎo)磁材料制作而成，平面磁吸面的鐵芯長(zhǎng)寬高由比例為3∶3∶5的金屬導(dǎo)磁材料制作而成。與此同時(shí)，線(xiàn)圈纏繞在鐵芯的外部，磁吸面以及磁路導(dǎo)體分別都存在磁軛。線(xiàn)圈在電磁吸盤(pán)上通電后，磁吸頭和工件能夠在磁力線(xiàn)作用下有效形成閉合的回路。工件穩(wěn)定后，電磁鐵在斷電后可使磁力線(xiàn)消失。依據(jù)磁通的連續(xù)性原理可知，當(dāng)材料磁通密度較大時(shí)，材料的使用量較少，其矯頑力也較小，當(dāng)斷電后，材料所剩的磁也越少，此時(shí)工件越易卸載。因此，將吸盤(pán)以長(zhǎng)寬高2∶1∶1的比例制成為最佳[1]。

1.3 電磁吸盤(pán)力學(xué)特征

通常情況下裝夾臺(tái)與放料臺(tái)的高度并不相同，因此，為防止手爪在搬運(yùn)中與裝夾臺(tái)相撞，需要將手爪位置在吸取圓管或支架時(shí)，直接從豎直到水平位置即可，保持手爪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的向心力使工件受力也發(fā)生一定的變化。通過(guò)支架受力Fm支=2Fm1以及圓管受力分析可知，吸取支架總吸力不得小于9.5 N，為避免兩片支架被同時(shí)吸起，電磁吸力不得大于14.8 N。因此，總電磁吸力在吸取圓管時(shí)的吸力不得小于28.2 N，同時(shí)不得超過(guò)45.6 N。每一個(gè)電磁吸盤(pán)的吸力范圍在14.2 N～23.65 N為宜。當(dāng)支架與圓管連接后需要同時(shí)吸起下料時(shí)，首先應(yīng)克服防撞梁的重量，由上述計(jì)算得出，手爪總電磁吸力范圍在26.89 N～43.26 N之間為宜。為此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該將其作為標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)規(guī)避手爪與裝夾臺(tái)碰撞的問(wèn)題。

2 上下料機(jī)械手本體設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)布局及工作

傳統(tǒng)的汽車(chē)防撞梁需要手動(dòng)上下料，使支架與圓管焊接有效地連接在一起，如圖1所示。但該方式效率較低，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化的市場(chǎng)需求，因此，應(yīng)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行有效改進(jìn)，使其自動(dòng)化能力增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的上下料。對(duì)于機(jī)械加工車(chē)間來(lái)說(shuō)，最重要的是對(duì)人、設(shè)備以及加工零件進(jìn)行合理、科學(xué)布局，從而降低物料搬運(yùn)時(shí)間，縮小加工零件周期，有效提高生產(chǎn)效率。上下料機(jī)械手的工作過(guò)程主要包括上料、焊接以及下料的過(guò)程。焊接支架與圓管前，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到盛放支架箱體的上方，當(dāng)平面吸盤(pán)得到電充磁后，機(jī)械手的末端執(zhí)行器可以從支架箱中獲得，在機(jī)械手通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°后，將機(jī)械手的末端執(zhí)行器從支架箱體中獲得，至此，將全部完成支架吸取的工作。在進(jìn)行支架的搬運(yùn)時(shí)，通過(guò)合理操作機(jī)械手的方式，使其從末端支架到達(dá)裝夾臺(tái)，利用3個(gè)平面將其固定，圓管箱體放置到裝夾臺(tái)上方居中位置能夠使得圓管進(jìn)行有效的搬運(yùn)過(guò)程。焊接機(jī)械手獲得信號(hào)將圓管與支架焊接在一起后，回到原位實(shí)現(xiàn)焊接支架和圓管的有效焊接工作。

圖 1 汽車(chē)配件生產(chǎn)廠現(xiàn)狀

2.2 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)形式及選用

通常情況下的機(jī)械手可分為直角、球形、圓柱以及關(guān)節(jié)型坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手如圖2所示，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不同關(guān)節(jié)的剛度大且能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，軌跡也較為簡(jiǎn)單，但也存在一定的弊端，即柔性空間較小，操作煩瑣且速度較低。圓柱式坐標(biāo)由兩個(gè)移動(dòng)的關(guān)節(jié)與一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，手臂的軸線(xiàn)與機(jī)身的軸線(xiàn)相互垂直，其中，手臂軸線(xiàn)可圍繞機(jī)身軸線(xiàn)進(jìn)行回轉(zhuǎn)與上下移動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)在于占地空間小、工作的空間大且機(jī)械較為緊湊，但存在防護(hù)難等問(wèn)題。球坐標(biāo)式由垂直的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與移動(dòng)關(guān)節(jié)組成，在手部的末端能夠有效形成最大軌跡的球面，優(yōu)勢(shì)為工作的空間較大且所占用的面積較小，但仍存在一定的問(wèn)題，即該設(shè)備的剛度、精準(zhǔn)程度較低，在進(jìn)行關(guān)節(jié)移動(dòng)時(shí)極易出現(xiàn)腐蝕等現(xiàn)象。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)由3個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)組成，第一個(gè)關(guān)節(jié)軸線(xiàn)是豎直方向，另外兩個(gè)是水平方向，呈現(xiàn)回?cái)[運(yùn)動(dòng)。其中，手臂末端運(yùn)動(dòng)為圓球狀，優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊且動(dòng)作靈活，工作空間較大。該機(jī)械手為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式[2]。

圖 2 直角坐標(biāo)式機(jī)械手

2.2.2 確定上下料機(jī)械手的參數(shù)

機(jī)械手在上下料的過(guò)程中，關(guān)節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)由裝夾臺(tái)高度決定，大臂關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)以及腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下料的位置需求，因此該運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)。腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是為了有效調(diào)整手爪的狀態(tài)，因此基座高度通常和裝夾臺(tái)位置有關(guān)。通常情況下裝夾臺(tái)的長(zhǎng)度為2 200 mm，寬度為550 mm，高度為850 mm，手部和手爪長(zhǎng)度在450 mm左右，腕部長(zhǎng)度為750 mm，小臂長(zhǎng)度為480 mm，大臂長(zhǎng)度為620 mm，底座長(zhǎng)度為520 mm。機(jī)械手回轉(zhuǎn)是在腰部關(guān)節(jié)位置，其擺動(dòng)則由大臂關(guān)節(jié)和小臂實(shí)現(xiàn)，另外，回轉(zhuǎn)時(shí)腕部和手部關(guān)節(jié)也同時(shí)進(jìn)行操作，上述相關(guān)關(guān)節(jié)操作共同組成了6個(gè)關(guān)節(jié)位置。

機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)在對(duì)被抓取對(duì)象的重量進(jìn)行合理掌握后對(duì)其力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，對(duì)手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。另外，對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)應(yīng)重視材料的選擇，不同的材料對(duì)機(jī)械手的影響程度不同。因此，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考量：1）強(qiáng)度與剛度。較高的強(qiáng)度與剛度為機(jī)械手提供了較大的抓力，此時(shí)，盡管工件具有一定的重量，但定位能力較強(qiáng)，提高了機(jī)械手的精確程度。2）重量輕。機(jī)械手臂在工作狀態(tài)下仍保持平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)速度，降低重量能夠有效提高機(jī)械手的平穩(wěn)運(yùn)行能力。3）彈性模量大。彈性模量的大小對(duì)變形有較大的影響，應(yīng)予以重視[3]。

2.3 機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座右端為基座電機(jī)，電機(jī)輸出端為聯(lián)軸器和齒輪等，利用錐齒輪使動(dòng)力有效輸送到腰部。大臂和小臂的電機(jī)都在設(shè)備的內(nèi)部位置，若大臂發(fā)生旋轉(zhuǎn)，相關(guān)的減速器能夠幫助其達(dá)到降速目的。小臂電機(jī)處于大臂中間，帶輪能夠借助皮帶使動(dòng)力傳送到下一個(gè)關(guān)節(jié)中。為有效降低手腕部的重量，通常將手部電機(jī)與腕部電機(jī)設(shè)置在小臂的前端。

2.4 手腕選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 手腕結(jié)構(gòu)類(lèi)型

一般來(lái)說(shuō)，手腕主要有兩種形式，即球形手腕與非球形手腕。其中，球形手腕擁有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其逆運(yùn)動(dòng)的分析也較為便捷，但受到工作空間小和靈活度差的影響。非球形手腕的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、工作空間較大，但逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算過(guò)程較為煩瑣和復(fù)雜。處于工作時(shí)期的機(jī)械手靈活程度不高，只需滿(mǎn)足手爪符合上下料要求即可。正交球形的手腕在能夠在滿(mǎn)足上述要求的基礎(chǔ)上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解計(jì)算較低的優(yōu)勢(shì)[4]。

2.4.2 手腕機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手腕的腕部與小臂為實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)自由度，可利用錐齒輪嚙合形成。其機(jī)械手部能夠通過(guò)安裝軸承、齒輪等方式，合理連接后進(jìn)行擺動(dòng)，使手部的內(nèi)部軸回轉(zhuǎn)。

2.4.3 手腕傳動(dòng)方案

手腕的3個(gè)關(guān)節(jié)須由3個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，都需安裝在小臂的前端。小臂內(nèi)部的伺服電機(jī)能夠有效利用RV減速器減速實(shí)現(xiàn)直齒輪嚙合，確保腕部能夠回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)通過(guò)直齒輪嚙合將動(dòng)力有效傳遞給軸后，借助錐齒輪嚙合傳送給皮帶輪，幫助手部進(jìn)行擺動(dòng)以及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

上料、焊接以及下料等共同構(gòu)成了機(jī)械手的上下料過(guò)程。坐標(biāo)系的建立是以機(jī)械手基座為原點(diǎn)，分別測(cè)量出上料點(diǎn)和下料點(diǎn)，同時(shí)將點(diǎn)位的坐標(biāo)代入到相關(guān)界面中。機(jī)械手的關(guān)節(jié)角能夠通過(guò)將機(jī)械手取料、落料點(diǎn)放入相關(guān)界面后獲得。與此同時(shí)，當(dāng)取料和落料時(shí)，機(jī)械手的關(guān)節(jié)角度都需要準(zhǔn)確到達(dá)極限角之中，使得機(jī)械手能夠到達(dá)任意取料點(diǎn)與落料點(diǎn)中，若機(jī)械結(jié)構(gòu)以及桿件參數(shù)無(wú)任何問(wèn)題，則不需要進(jìn)行任何操作的修改，但仍受最優(yōu)解的影響。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)取料點(diǎn)與落料點(diǎn)時(shí)，無(wú)法持續(xù)獲得最優(yōu)解，因此，不同關(guān)節(jié)能夠獲得的最優(yōu)解需要依據(jù)自身的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行有效選取。

3 動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)

將建好的三維模型導(dǎo)入Adams中，利用增加初始化條件的方式，判斷其自由度的大小是否為0，當(dāng)為0時(shí)可進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的仿真，否則需要嚴(yán)格檢查初始條件。點(diǎn)擊仿真按鈕后，上下料的機(jī)械手在此過(guò)程中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，未出現(xiàn)卡死的問(wèn)題，代表仿真成功，可繼續(xù)點(diǎn)擊處理并選擇曲線(xiàn)的繪制方式；當(dāng)在仿真時(shí)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)，則表明機(jī)械的仿真并未成功。此時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仔細(xì)檢查，找出問(wèn)題并及時(shí)做出修改后再次進(jìn)行仿真，確保仿真結(jié)果的真實(shí)與可靠。

首先，應(yīng)進(jìn)行機(jī)械手模型的簡(jiǎn)化工作，將螺栓等部件有效去除等；其次，對(duì)三維機(jī)械手模型的不同關(guān)節(jié)部件進(jìn)行重新命名后添加相關(guān)的材料，有效計(jì)算出部件的質(zhì)量與慣性矩；最后，分別添加約束、摩擦、驅(qū)動(dòng)以及負(fù)載等。對(duì)于仿真后的處理，為使機(jī)械手的動(dòng)作符合操作要求，在進(jìn)行處理模塊時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)關(guān)節(jié)力矩、角速度等繪制相應(yīng)的變化曲線(xiàn)。通常情況下，機(jī)械手上下料的過(guò)程主要分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1）準(zhǔn)備過(guò)程。機(jī)械手臂在0～5 s時(shí)會(huì)下降，在其末端可以降低位置直到降到放料臺(tái)上方即可。2）工件的吸取。第5 s～8 s時(shí)，末端的位置一般在不發(fā)生改變的同時(shí)將工件吸起。3）搬運(yùn)過(guò)程。第8 s～12 s時(shí)，手部與工件同時(shí)抬起，第13 s～16 s腰部轉(zhuǎn)動(dòng)后小臂抬起，機(jī)械手的末端會(huì)到達(dá)裝夾臺(tái)的上方。在第16 s～ 18 s時(shí)，手部轉(zhuǎn)為豎直的狀態(tài)。4）裝夾工件過(guò)程。在第18 s～22 s時(shí)，工件放置在裝夾臺(tái)并夾緊后完成工件焊接。5）工件搬運(yùn)過(guò)程。在第22 s～27 s時(shí)，機(jī)械手的末端將工件吸起并將手腕抬起，轉(zhuǎn)動(dòng)腰部后，工件能夠被有效搬運(yùn)到防撞梁箱體中。

4 結(jié)論

上下料機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械手的一種，其性能不斷提高，為降低使用成本，通過(guò)設(shè)計(jì)平面和弧面磁吸面組合式的電磁吸盤(pán)，能夠有效解決上下料浪費(fèi)時(shí)間、效率低下的問(wèn)題。在原有兩手爪交互式上下料的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了上下料過(guò)程，縮短了上下料的時(shí)間，提高了上下料的效率。該電磁吸盤(pán)的應(yīng)用范圍也更加廣泛，更具實(shí)用性，有助于推動(dòng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。