單機自動化上下料系統機械結構設計及機器手臂動態特征有限元分析

黃鵬

（湖北工程職業學院，湖北 黃石 435000）

設計人員根據汽車覆蓋件的生產工藝以及沖壓設備結構特點，嘗試設計一套全新的單機自動化上下料系統，在明確上下料流程的基礎上，對該系統進行模塊化設計，通過對送料、分張以及對中等模塊的設計，提升上下料效率。

1 分張模塊設計

加工汽車覆蓋件過程中，薄鋼板之間在真空負壓的作用下會出現貼合問題，如何對薄鋼板進行快速分張，成為影響沖壓效率的關鍵因素。本次設計中使用的薄鋼板料垛兩側均覆蓋油膜，且表面較為光滑，相鄰的薄鋼板之間容易形成真空負壓，在取料過程中容易出現粘連問題。針對這一情況，設計人員著重對分張模塊進行優化設計，確保上下料系統的機械手臂每一次取料均為單片[1]。

1.1 參數設計

本次設計所使用的沖壓薄鋼板材料尺寸為800mm×800mm～1600mm×1600mm，薄鋼板的厚度為0.8mm～1.2mm，500張薄鋼板為一垛。設計人員根據沖壓作業的實際需求，將上下料系統的分離能力控制在±2mm，額定負載為100kg。

1.2 確定分離方案

目前常見的薄鋼板料垛的分離方式包括以下幾種：①機械分離。機械分離方式原理較為簡單，借助機械手臂的直接拉扯對料垛進行分張，具有技術難度低、方便快捷等特點。該技術對于小尺寸、高強度、厚度較大的料垛分離效果良好，本次設計中選用的料垛厚度較薄，不適合使用機械分離技術。②吹氣分離。在進行料垛分張作業時，利用吹氣改變薄鋼板之間的真空負壓狀態，進而實現分離材料的目的。這種施工方式需要單獨布置吹氣裝置，生產成本較高，對于粘附力較強的薄鋼板分離效果并不理想，無法滿足本次設計對于料垛分離的要求。③磁性分離。此項技術的原理是對薄鋼板進行磁化，并在料垛周圍布置磁性分張裝置，使得相鄰的薄鋼板之間由于“同性相斥”而自動分離[2]。利用磁性分離技術可以在相鄰薄鋼板之間形成寬度為15mm以上的縫隙，該技術具有很好的穩定性以及較為廣泛的適用性，且生產成本可控。根據本次設計的實際需求，工作人員最終決定使用磁性分離技術對料垛進行分張。

1.3 雙張檢測設計

分張模塊設計完畢之后，為了確保每一次上下料均為單張，需要設計雙張檢測模塊，在機械手臂吸取薄鋼板之后對拾取的薄鋼板進行雙張檢測，如果檢測結果為單張則進入下一個工序，如果檢測結果為雙張則要重新拾取，并再次進行雙張檢測。本次設計中，考慮到薄鋼板的尺寸參數以及生產成本，使用HJG.SP-NP2型金屬雙張檢測裝置。實際運行過程中，一旦發現機械手臂吸取了多張薄鋼板，檢測模塊會自動發出警報，提醒相關人員進行處理，避免多張薄鋼板在后續生產環節損壞沖壓設備。需要注意的是，雙張檢測裝置插入的探頭越多，其互感系數越低，依據檢測信號的變化量判斷薄鋼板實際片數（詳見表1）。

表1 HJG.SP-NP2型金屬雙張檢測裝置雙張檢測反應表

2 送料模塊設計

送料模塊主要分為上料平臺、上料桁架機器手、上料桁架支架三個部分。其中機器手是送料模塊的核心部件，通過水平、垂直運動將物料運送至加工環節。本次設計中，工作人員考慮到上料效率以及生產成本，決定使用十字滑臺機械手臂。在進行垂直取料作業時，需要考慮到機械手臂行程參數，也就是機械手臂高度與十字滑臺垂直高度之和，明確垂直方向高度障礙的最高值與最低值。依據沖壓加工生產流程以及汽車覆蓋件的具體尺寸，對送料模塊進行簡化處理，盡可能讓送料模塊的布局變得更加緊湊（如圖1所示）[3]。

圖1 送料模塊主視圖

圖1中，S1代表對中臺的實際高度，S2代表分張裝置實際高度，S3代表操作臺支架高度，S4代表上料臺的高度，S5代表送料調整誤差，S6代表分張機械手臂余量，S7代表機械手臂的實際行程，S8代表設備支撐座高度，S9代表運料臺總高度，S10代表上料履帶邊長，S11代表底部支撐座伸出長度，S12代表對中臺實際寬度，S13代表對中模塊與上料模塊實際高度。

本次設計中，上料臺水平方向的尺寸為1500mm×1500mm×130mm，對中臺框架尺寸為1600mm×1440mm，為了避免各個模塊之間相互干涉，要確保對中臺與上料臺的長度不低于2950mm。垂直方向上，考慮到機械手臂垂直方向的實際行程超過S1、S2、S3、S4的垂直高度，因此將上料臺垂直方向障礙高度最大值設定為S2+S4，即830mm，最低障礙高度為S3+S4，即280mm。此外，為了確保上下料機械手臂在水平、垂直兩個方向上能夠自由移動，將S5+S6+S7的高度設定為機械手臂支撐座高度，即910mm。

3 上下料模塊設計

3.1 選擇傳動模式

目前，工業生產領域常見的直線傳動技術主要是滾珠絲杠、齒輪齒條以及同步帶三種。這三種直線傳動技術的工作原理不同，各有特點。①滾珠絲桿。這種傳動技術的特點在于可以在直線運動與旋轉運動之間自由切換，運行效率高且磨損率較低，具有很高的加工精度，不會出現爬動現象。②同步帶傳動。此項技術的優勢在于傳動精度高，適合精密加工，可以在直線傳統模式與圓周傳動模式之間自由切換。③齒輪齒條傳動。該傳動模式能夠承載較大的應力，可以根據生產需要延長對接長度，且傳動速度較高。

這三種傳動模式中，齒輪齒條傳動模式適用范圍較廣，可以根據生產需求隨意調整傳動行程，且傳動結構較為簡單，安裝與維護成本較低，因此本次設計中采用齒輪齒條傳動模式。上下料機械手臂的運動方向分為水平運動（X向），垂直運動（Z向）以及前后運動（Y向），三個方向的進給總程中均設計了齒輪齒條組件。使用HG型號線性導軌，設定摩擦系數為0.004，桁架傳動部件與滾輪摩擦系數為0.15。設汽車覆蓋件的薄鋼板最大重力值為G工件=400N，整套上下料設備桁架的重量為1178.5kg，X、Y、Z三個方向的給進重力數值為Gx向進給總成=2600N；GY向進給總成=2400N；GZ向進給總成=1200N。

3.2 動力傳動設計

3.2.1 X向動力設計

首先，計算X向傳動負荷并設計齒輪齒條組合模式。X方向上，根據摩擦力公式計算X方向的受力值：。依據齒輪不同模數下荷載與扭矩的關系，工作人員選擇模數為3的齒輪齒條，將壓力角度設定為20°，齒條長度為5000mm，依據工作臺實際長度，將齒條拆分為五段進行拼接。選擇伺服電機為傳動裝置提供動能，根據公式計算直線進給運動慣量：

公式（1）中，J為傳動裝置轉動慣量，W表示物料沿直線運動的質量，L為伺服電機每轉在直線方向上的行程。將上述參數代入公式（1）得到J=0.0244kgf·cm·s2。根據直線進給傳遞扭矩計算公式：

公式（2）中，M為直線傳動扭矩，Fu為傳遞負載力，d為分度圓直徑，經過計算得到M=41.386N·m。

3.2 .2 Y向動力設計

齒輪齒條傳動裝置的Y向動力會受到慣性力、工件重量以及摩擦力的直接影響。。選擇伺服電機時，根據公式（1）計算Y向直線進給慣量JY=0.0216kgf·cm·s2，為了滿足直線進給動力需求，本次設計使用1FL5型伺服電機，該型號電機備有減速裝置，其額定扭矩為6Nm[4]。

3.2.3 Z向動力設計

Z向負荷主要受慣性力與摩擦力影響，根據上述公式計算Z向受力，將齒輪的模數設定為3，齒數調整為17，齒條總長度為1000mm，使用兩段長度為500mm的齒條沿Z向拼接。考慮到加工效率以及生產成本等因素，決定使用額定扭矩為10Nm的1FL5型伺服電機。

4 機械手臂有限元動態分析

目前，機械工程領域內有限元分析軟件包括Abaqus、Ansys等，每一種有限元分析軟件擅長的領域不同，有些軟件擅長分析磁場，有些軟件擅長分析工程機械結構力學。上下料機械手臂有限元動態分析，主要包括對機械手臂模態以及靜力學的分析，因此采用ANSYS Workbench軟件進行有限元分析。該軟件具有很高的集成性，操作界面簡潔，易于上手，能夠滿足不同層次用戶的個性化需求。

4.1 機械手臂結構靜力有限元分析

所謂的靜力學分析，實際上就是受到靜荷載作用后，機械結構的應變、應力發生變化，在不考慮時間以及慣性等因素的情況下，通過力學理論判斷機械結構能夠抵抗應變與應力，確保機械結構的強度符合加工作業需求。

第一步，將機械手臂模型輸入有限元分析軟件，根據有限元分析需求確定單元類型，并將機械手臂結構劃分為若干個相互連接的模型。

第二步，根據公式｛f｝=[N]｛δ｝e選擇單元位移參數，其中｛f｝表示選擇節點的位移向量，｛δ｝e則是節點位移向量組，[N]為節點任意一點坐標。

第三步，建立剛度計算方程，確定節點應變計算式：｛ε｝=[B]｛δ｝e。該公式中，｛ε｝為任意某一個節點的應變向量，[B]表示應變矩陣。

第四步，根據虛位移定理，將模型中的等效節點視作作用力施加節點。

第五步，計算應變應力，依據公式｛f｝=[N]｛δ｝e計算每一個節點的位移參數，再將位移參數代入｛ε｝=[B]｛δ｝e，得到節點應變應力。機械設備強度失效主要分為屈服失效與斷裂失效兩類，本次設計中使用的上下料為薄鋼板，從類型上看屬于塑性材料，因此需要使用強度理論中的第四強度對應變應力有限元分析結果進行校對。

強度理論表達式為：

公式（3）中，[σ]=σs/ns，其中σ1、σ2與σ3是應力應變有限元分析的三個主要應力參數，[σ]為許用應力，σs為材料屈服極限，ns表示安全系數。

4.2 靜剛度分析

通過靜剛度分析，可以對上下料機械手臂整體性能進行準確評估，當機械手臂橫向滑動至中心位置，機械手臂縱向垂直移動至最低位置。此時，機械手臂的受力狀態以及彎矩達到最大值，在這種狀態下對機械手臂進行靜剛度分析作為適宜。

第一步，確定材料屬性，本次設計中的薄鋼板單行模量為E鋼=2.06E11pa，密度ρ鋼=7.8E2kg/m3，杜松比μ鋼=0.32。

第二步，設置邊界條件。對機械手臂在極限位置的模型進行模擬，實際運行過程中，兩只機械手臂無法同時進行物料拾取動作，因此在中間位置的機械手臂施加一個垂直向下的力，再加上單張薄鋼板最重的拉力400N，就可以模擬機械手臂所面臨的剛性應力。根據軟件分析結果，發現機械手臂在X方向上的變形量極值為7.6048mm，變形量符合加工需求，不會影響施工效率以及設備壽命。薄鋼板的屈服極限為σs=235Mpa，利用公式（3）計算薄鋼板的許用應力，其應力極值為39.228Mpa，符合機械手臂精剛度需求[5]。

5 結論

為了提升汽車覆蓋件生產效率，設計人員根據薄鋼板尺寸以及沖壓加工需求，針對分張模塊、送料模塊以及上下料模塊進行優化，并針對機械臂動態參數進行有限元分析，為提升機械生產效率提供技術支持。