三次元送料機構(gòu)干涉曲線設(shè)計與研究

黃 偉，楊亞威，李夢群，寧學(xué)濤

HUANG Wei1,2,YANG Ya-wei1,LI Meng-qun2,NING Xue-tao1,2

(1.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 先進(jìn)制造技術(shù)研究所，寧波 315201；2.中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域中，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)自動化程度的不斷提高，用機器取代人工已經(jīng)成為趨勢[1]。自動送料裝置在很大程度上滿足了企業(yè)在生產(chǎn)上的要求。相比人工，自動送料效率高，成本低，安全可靠性強。多工位送料機構(gòu)已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)的手工送料和單工位送料機構(gòu)來提高生產(chǎn)效率[2]。然而不同的應(yīng)用環(huán)境要求采用不同的多工位送料機構(gòu)，這勢必會增加送料機構(gòu)的設(shè)計難度，也使得送料機構(gòu)的運動軌跡設(shè)計更具要求。在進(jìn)行送料機構(gòu)設(shè)計中，存在一個不可避免的問題即沖壓滑塊與送料機械手在相對運動過程的干涉問題，發(fā)生干涉會造成沖壓滑塊與送料機械手發(fā)生碰撞，造成機械結(jié)構(gòu)的損壞，所以對送料機構(gòu)進(jìn)行無干涉設(shè)計以及通過繪制干涉曲線對機構(gòu)設(shè)計和運動軌跡的合理性進(jìn)行檢查是十分必要的，羅云華等人對行星式送料機構(gòu)的干涉曲線設(shè)計進(jìn)行了研究，但其方法缺乏通用性，針對這一情況，本文提出一種可應(yīng)用到多種沖壓送料機構(gòu)的運動學(xué)分析法，并以參數(shù)化的形式對可實現(xiàn)聯(lián)動的三次元送料機械手進(jìn)行整個無干涉設(shè)計和軌跡規(guī)劃。

1 干涉曲線原理

干涉曲線主要是沖壓滑塊在上下沖壓過程中與送料機械手夾持器運動過程中的相對運動關(guān)系的圖標(biāo)和曲線及下模與機械手夾持器的運動關(guān)系，是一個三維的空間曲線[3]，如圖1所示。干涉曲線是一種相對運動軌跡，是為了檢驗?zāi)＞咴跊_壓過程中與送料機構(gòu)運動過程中不發(fā)生干涉情況的一項指標(biāo)。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中需要確定的參數(shù)包含移送行程、夾取行程、舉升行程、送料桿內(nèi)寬，每分鐘達(dá)到的次數(shù)最大搬送重量（制品+夾爪）等[4～6]。以沖壓滑塊的工作位置為基準(zhǔn)，畫出送料機械手夾持器的平面干涉曲線圖來直觀的觀察是否發(fā)生干涉。通常判斷是否產(chǎn)生干涉的原則是設(shè)置其間隙量為30mm，在需要進(jìn)行干涉檢測的運動過程中其相對運動間隙小于30mm被認(rèn)定為干涉，否則被認(rèn)為不干涉。當(dāng)間隙小于30mm時需要對機械結(jié)構(gòu)或是運動軌跡作出進(jìn)一步修改，以達(dá)到無干涉的要求。

圖1 空間干涉曲線

2 三次元送料周期圖規(guī)劃

本文以自主研發(fā)設(shè)計的三次元送料機械手為研究對象，三次元沖壓送料機械手的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示，送料機械手機構(gòu)需進(jìn)行干涉曲線檢查機械運動簡圖如圖2所示。

表1 送料機械手運動參數(shù)表

圖2 機械運動示意圖

三次元送料周期是以滑塊的運動周期為基準(zhǔn)對機械手夾持器的相對位置以0o～360o的圓周期表示，根據(jù)每分鐘沖壓次數(shù)為35次的要求，計算出滑塊運動周期約為1.7s。為了保證工件能夠從一工位到下一工位過程中不被沖壓，需要保證沖壓滑塊與送料機械手夾持器在提降、送退、夾張的運動過程中相互配合，協(xié)同工作。

本文研發(fā)的三次元送料機械手將采用聯(lián)動的形式，即提升與送料和松開與回退的過程聯(lián)合運動，可提高效率。三次元送料周期可直觀的表示機構(gòu)工作過程中的提降、移退、夾張的時間分配以及整個運動過程中機械機構(gòu)運動的軌跡設(shè)計發(fā)生聯(lián)動的時間,整個運動過程中聯(lián)動發(fā)生在提降與移送以及夾張與回退的過程[7]。根據(jù)實際生產(chǎn)的需要可以調(diào)控聯(lián)動的時間以改善運動軌跡，在設(shè)計過程中值得注意的是在夾手夾緊以后和夾手松開以前要停留一段時間以保證工件能夠穩(wěn)定的放到下模,一般時間為0.02s（轉(zhuǎn)換成周期的角度變化為50左右。根據(jù)沖壓滑塊與送料機械手夾持器在提降、送退、夾張的運動過程中相互配合，協(xié)同工作進(jìn)行時間上的規(guī)劃，可繪制如圖3所示的三次元送料周期圖，更直觀的表示沖壓滑塊與送料機械手各個過程的時間分配關(guān)系。

3 干涉曲線的參數(shù)化無干涉設(shè)計與檢查

圖3 三次元送料周期圖

傳統(tǒng)的無干涉設(shè)計方法只能針對一種沖壓送料機構(gòu)進(jìn)行無干涉設(shè)計，本文提出了一種可以滿足不同種類的沖壓送料機構(gòu)的運動學(xué)分析法通過參數(shù)化的方式進(jìn)行無干涉設(shè)計及優(yōu)化。通過B樣條曲線對三次元送料機械手的機械機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，以參數(shù)化方式進(jìn)行送料機構(gòu)的軌跡規(guī)劃和無干涉設(shè)計。

B樣條曲線是一種靈活的曲線，曲線的局部形狀受相應(yīng)頂點的控制很直觀[8]。通過對頂點控制技術(shù)，可以使整個B樣條曲線在某些部位滿足一些特殊的技術(shù)要求。B樣條曲線表達(dá)式為：

在上式中i=0,1,2,…,m，Pi+k為控制頂點，F(xiàn)k,n(t)為B樣條基函數(shù)，可以看出：B樣條曲線是分段定義的。如果給定m+n+1個頂點Pi(i=0,1,2,…,m+n)，則可定義m+1段n次的參數(shù)曲線。

在以上表達(dá)式中：Fk,n(t)的n次B樣條基函數(shù)，也稱B樣條分段混合函數(shù)。其表達(dá)式為：

式中k=0,1,2,…,n連接全部曲線段所組成的整條曲線稱為n次B樣條曲線。

依次用線段連接點 Pi+k(k=0,1,…,n)所組成的B樣條曲線在tk時刻每個點是S(tk)表示為：

為了避免三次樣條函數(shù)曲線過渡不平滑[9]，本文采用五次B-spline樣條曲線對X-Y-Z三軸的軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)軌跡規(guī)劃每兩段相鄰曲線在連接點處位置、速度、加速度、加加速度連續(xù)得出以下關(guān)系：

參數(shù)化設(shè)計是指零件和部件形狀比較定型，用一組參數(shù)約束該幾何形狀的一組結(jié)構(gòu)尺寸序列，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯示對應(yīng)，當(dāng)賦予不同參數(shù)時，就可以驅(qū)動原幾何圖形達(dá)到新的目標(biāo)幾何圖形[10]。設(shè)計人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來指定設(shè)計要求。每次改變這些設(shè)計參數(shù)時來維護(hù)尺寸或工程參數(shù)的初值這些基本關(guān)系[11]。本文對三次元送料機械手進(jìn)行運動學(xué)分析，運用python軟件進(jìn)行編程，把運動學(xué)方程以語言的方式寫入程序通過更改送料全過程的時間分配或周期運動參數(shù)，來調(diào)節(jié)送料機構(gòu)與沖壓滑塊周期曲線來進(jìn)行機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，達(dá)到無干涉設(shè)計的目的。通過參數(shù)化設(shè)計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計方面提高了工作效率和工作質(zhì)量，具有較大的應(yīng)用價值。

3.1 機械手送退夾張?zhí)峤抵芷谇€

根據(jù)沖壓滑塊與機械手的相對運動關(guān)系和三向周期表可知，當(dāng)沖壓滑塊開始運動時，移送已經(jīng)進(jìn)行了半個移送的行程，把沖壓上死點時刻設(shè)為整個周期運動的起始時刻0時刻。根據(jù)移送和回退行程以及沖壓的周期為1.7s，分別規(guī)劃送退、夾張、升降的運動點，再通過B樣條曲線進(jìn)行五次插值。X、Y、Z在周期內(nèi)對應(yīng)的運動坐標(biāo)如表2 所示

在滿足沖壓滑塊與機械手送料、夾張、升降在同一時間內(nèi)協(xié)同工作的條件下，采用Python編程軟件，根據(jù)五次基樣條曲線進(jìn)行插值運算，通過反復(fù)調(diào)節(jié)時間參數(shù)最后可得到合理的三向送料機械手與沖壓滑塊的運動周期曲線如圖4所示，圖4直觀反映了沖壓滑塊運動一周期與進(jìn)退、夾張、升降運動曲線的相對關(guān)系。

圖4 三向送料周期曲線

3.2 干涉曲線

研究機械手送料過程中的干涉問題主要考慮沖壓滑塊和送料機械手夾持器干涉、下模同夾持器及產(chǎn)品的干涉。沖壓滑塊同夾持器關(guān)系表現(xiàn)在解除夾緊、送料、退料的過程。下模同機械手上夾持器干涉主要表現(xiàn)在送料過程。

3.2.1 下模與送料機械手夾持器的干涉檢查

下模固定于整個機械支架上面，下模的位置不隨整體機構(gòu)的運動而改變，下模與夾持器的設(shè)計關(guān)系如圖5所示，從圖5可看出我們只需檢查要機械手夾持器在運動過程中是否會對下模產(chǎn)生干涉即可（夾持器與下模間隙不下于25mm）。

表2 沖壓周期時間t與規(guī)劃點對應(yīng)關(guān)系

圖5 下模與夾持器的關(guān)系

通過B樣條曲線以下模為基準(zhǔn)對機械手夾持器進(jìn)行軌跡規(guī)劃，機械手夾持器升降與移送過程和夾張與回退的過程部分編寫程序，得出送料過程中與下模的干涉以及送料退料過程上下平面的干涉曲線，如圖6所示。

圖6 下模與機械手的干涉曲線

3.2.2 沖壓滑塊與送料機械手的干涉關(guān)系

沖壓滑塊與機械手夾持器一直處于空間運動關(guān)系，沖壓滑塊以行程為100mm，以周期為1.7s進(jìn)行周期運動的沖壓運動，為了使干涉檢查更直觀，將采用相對位置曲線表示沖壓滑塊與送料機械手的關(guān)系。沖壓滑塊每進(jìn)行一周期要轉(zhuǎn)動3600，以沖壓滑塊曲柄轉(zhuǎn)動的角度變化為基準(zhǔn)，反映機械手夾持器的運動軌跡，從而使得從時間和空間上更直觀的表示沖壓滑塊與進(jìn)給、回退、夾張的干涉問題。圖7是從運動分析的角度，繪制空間干涉曲線，對沖壓滑塊和機械手夾持器進(jìn)行干涉曲線的繪制和無干涉設(shè)計。

圖7 沖壓滑塊與夾持器干涉曲線

4 結(jié)論

本文總結(jié)以往干涉設(shè)計的不足提出了一種可對多種沖壓送料機構(gòu)進(jìn)行干涉曲線設(shè)計和檢查的方法——運動學(xué)分析對機構(gòu)的干涉曲線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，得到三次送料的周期曲線、下模與機械手夾持器的干涉曲線以及沖壓滑塊與機械手夾持器的整個運動過程的空間干涉曲線，以運動學(xué)參數(shù)化的方式能夠更直觀更快速的檢查機械結(jié)構(gòu)以及軌跡的規(guī)劃是否合理性并能夠迅速改正，為機構(gòu)設(shè)計提供更有價值的參考。

[1]南雷英,戚春曉,孫友松.沖壓生產(chǎn)自動送料技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展概況[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2006,41(02):18-21.

[2]方芳,李承璋,方孝安.模具自動化改造技術(shù)[J].汽車工藝與材料,2011,31(06):51-57

[3]李傲宏,朱雷.干涉曲線在多工位模具生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].模具制造,2010,10(03):77-79.

[4]羅云華,張祥林,張穎,黃早文.多工位自動送料系統(tǒng)的無干涉設(shè)計與研究[J].鍛壓技術(shù),2004,29(05):49-52.

[5]謝丹.汽車左右前地板多工位級進(jìn)模設(shè)計方法[J].模具制造,2011,11(05):27-29.

[6]成虹,主編.沖壓工藝與模具設(shè)計[M].北京市:高等教育出版社,2006.

[7]華中工學(xué)院等五院（校）《機械傳動及曲柄壓力機》編寫組[M].機械傳動及曲柄壓力機.北京市:人民教育出版社,1976.

[8]S.A.Bazaz and B.Tondu.Minimum time on-line joint trajectory generatorbased on low order spline method for industrial manipulators[J].Robotics andAutonomous Systems,29(04):257–268,1999.

[9]L.Biagiotti and C.Melchiorri.Smooth trajectories for high-performance multi-axes automatic machines[A].In Proc.4th IFAC Syposium on Mechatronic Sys-tems[C].Heidelberg,G,Sept.1(02):175-180,2006

[10]陳帆,馬志良.基于設(shè)計邏輯的參數(shù)化模型建立及其特點[J].建筑與文化,2014,15(01):126-127.

[11]孟祥旭,徐延寧.參數(shù)化設(shè)計研究[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2002,14(11):1086-1090.