機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法探究

賀 翔，李衛(wèi)國(guó)

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

現(xiàn)階段，我國(guó)空心杯制造加工過(guò)程中，人工操作占據(jù)重要地位，尚未推廣應(yīng)用現(xiàn)代自動(dòng)化操作系統(tǒng)，尤其是線板與線板之間的纏繞，主要以人工操作方式為主，這種操作方式，除了需要耗費(fèi)大量人力資源之外，還不具備較高的工作效率，影響生產(chǎn)效益的增長(zhǎng)。基于此，本文對(duì)“機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法”展開深層次實(shí)踐分析，對(duì)于提高機(jī)械手使用效果，全面提高空心杯生產(chǎn)效率而言，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)踐價(jià)值。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要研究?jī)?nèi)容概述

空心杯線圈生產(chǎn)線需重視機(jī)械手的有效應(yīng)用，線圈纏繞完成之后，空心杯的制造就算是半成品完成，此刻線圈僅需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，就可以制造出成品。筆者本文研究旨在設(shè)計(jì)多角度活動(dòng)的機(jī)械手系統(tǒng)，促使機(jī)械手能夠完成從上料到安裝到精準(zhǔn)機(jī)主軸上的一系列操作。具體言之，機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。一是深入調(diào)查上下料機(jī)械手的特點(diǎn)，并明確其存在的優(yōu)缺點(diǎn)，然后結(jié)合機(jī)械手功能需求，參考機(jī)械手設(shè)計(jì)原理，最終確定機(jī)械手設(shè)計(jì)目標(biāo)及優(yōu)化方案，并以此為依據(jù)，制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案[1]。二是依據(jù)設(shè)計(jì)方案、考慮機(jī)械手動(dòng)作需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行機(jī)械手零件連接仿真模擬，從中結(jié)合零件變形、應(yīng)力圖等進(jìn)行分析，最終選擇動(dòng)力學(xué)性最佳的材料制造零件[2]。三是對(duì)確定好的機(jī)械手優(yōu)化最佳參數(shù)，最大限度減少機(jī)械手零件承受力，促進(jìn)生產(chǎn)線使用年限[3]。四是借助ANSYS等軟件仿真模擬機(jī)械手，驗(yàn)證機(jī)械手各零部件設(shè)計(jì)是否合理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理之處，然后借助拓?fù)鋬?yōu)化方法，改善機(jī)械手不合理結(jié)構(gòu)，以此有效提高機(jī)械手精準(zhǔn)度，有效降低制造成本。

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法分析

2.1 機(jī)械手總體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）上下料機(jī)械手系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械手系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要涉及繞線原理、線圈生產(chǎn)主要流程兩個(gè)方面的內(nèi)容。一是繞線原理。結(jié)合實(shí)際加工需求，不同直徑線圈生產(chǎn)活動(dòng)中，僅需要將與之相對(duì)應(yīng)的線圈芯軸套更換就可以持續(xù)進(jìn)行加工。這樣一來(lái)，一方面可以保證線圈纏繞準(zhǔn)確率；另一方面可以有效提高機(jī)械手工作效率。需強(qiáng)調(diào)的是線圈纏繞時(shí)，需保證不同型號(hào)線圈與芯軸尺寸相符。二是線圈生產(chǎn)主要流程。線圈的生產(chǎn)主要依靠機(jī)械手將未加工的線圈安裝到主軸上，然后繞線機(jī)以斜繞式方法，將銅線纏繞到線圈上，最后在精準(zhǔn)機(jī)主軸的作用下，完成精準(zhǔn)機(jī)精準(zhǔn)線圈加工。設(shè)計(jì)階段，相關(guān)人員首要工作是明確機(jī)械手操作空間大小，并確定芯軸與主軸對(duì)接位置，然后以此為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械手每一個(gè)動(dòng)作，并確定機(jī)械手的具體位置，一方面可以解決空間問(wèn)題；另一方面可以最大限度節(jié)約成本。

（2）機(jī)械手自由度。線圈生產(chǎn)中，機(jī)械手主要在繞線機(jī)與精準(zhǔn)機(jī)之間發(fā)揮作用，可讓線圈完成繞線機(jī)到精準(zhǔn)機(jī)主軸之間的一系列動(dòng)作。結(jié)合實(shí)際需求，機(jī)械手在線圈加工中，所需要執(zhí)行的動(dòng)作，總體言之，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。機(jī)械手從繞線機(jī)初始位置移動(dòng)到終止位置整個(gè)過(guò)程中，機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鳛榫o抓住線圈，并以直線運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)到中間位置，最后將線圈安裝到精準(zhǔn)機(jī)主軸上。機(jī)械手移動(dòng)到繞線機(jī)的整個(gè)過(guò)程中，動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，可以直線方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)動(dòng)作可確定一個(gè)自由度。首先，將X軸設(shè)為移動(dòng)副，機(jī)械手線圈抓取與松開等操作，主要是在繞線機(jī)與精準(zhǔn)機(jī)主軸之間來(lái)回以直線正反向線性運(yùn)動(dòng)予以實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手在完成繞線機(jī)上線圈夾持動(dòng)作之后，就可以繼續(xù)完成繞線機(jī)離開動(dòng)作，然而生產(chǎn)線上有擋板，意味著機(jī)械手離開繞線機(jī)的動(dòng)作，必須繞開擋板，才能保證機(jī)械手順利完成繞線機(jī)離開操作。在此移動(dòng)過(guò)程中，與上述動(dòng)作屬于同一個(gè)水平方向，自由度與第一個(gè)X軸移動(dòng)對(duì)相同。除了確定水平方向的自由度之外，還需要進(jìn)一步在豎直方向單獨(dú)確定一個(gè)移動(dòng)自由度，以Z軸設(shè)定為移動(dòng)副，Z與重力加速度方向相反。最后裝配動(dòng)作需水平面垂直X方向的另一個(gè)移動(dòng)副輔助完成動(dòng)作，設(shè)定為Y移動(dòng)副?？傊?，機(jī)械手自由度的確定，主要有四個(gè)，當(dāng)中三個(gè)為移動(dòng)自由度，一個(gè)為手爪夾持自由度。

2.2 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真模擬

通過(guò)solidwords軟件仿真模擬機(jī)械手，構(gòu)建與之相符的幾何模型，隨后將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到ANSYS中，并設(shè)定重力加速度單位，X軸設(shè)定為接地，以此展開機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真模擬。結(jié)合模型與實(shí)際輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)速度變量雖保持一致，但是力量與力矩變量模型與實(shí)際存在顯著的差異。為了更好滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線的實(shí)際需求，結(jié)合機(jī)械手受力效果，予以措施進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械手設(shè)計(jì)。首先，結(jié)合機(jī)械手各部分重要零部件的具體受力情況，優(yōu)化選擇材料，并適當(dāng)調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)行方向。其次，設(shè)計(jì)方案與機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)分析，并以此為依據(jù)，對(duì)機(jī)械手具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行探討，最終確定機(jī)械手各零部件最后類型。三是借助動(dòng)力學(xué)仿真模擬，通過(guò)多次反復(fù)驗(yàn)證，得出機(jī)械手的最佳安裝數(shù)據(jù)，然后在最優(yōu)解中得出最佳安裝位置。需強(qiáng)調(diào)的是在仿真模擬時(shí)，需進(jìn)行多次驗(yàn)證，其主要目的是保證仿真模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效性，只有這樣，才能真正意義上確定出機(jī)械手之間的最佳安裝位置。最后，ANSYS中分析機(jī)械手模態(tài)振型，尤其是機(jī)械手當(dāng)中的一些重要零部件，更需要借助ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，然后利用拓?fù)鋬?yōu)化學(xué)，完成機(jī)械手零部件的材料優(yōu)選工作。

綜上所述，機(jī)械手在現(xiàn)代工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，然而在實(shí)踐中，暴露出一系列問(wèn)題，直接影響到機(jī)械手既有作用的發(fā)揮。所以，在實(shí)踐中，有必要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)需求，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并立足于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，探討出行之有效的機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，為充分發(fā)揮機(jī)械手應(yīng)用價(jià)值夯實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代制造加工業(yè)的發(fā)展。