上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零件的動靜特性分析

陳凱，劉巍巍

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)采用機(jī)器人或者機(jī)械手來代替人工進(jìn)行作業(yè)。機(jī)械手大部分情況都是出現(xiàn)在生產(chǎn)線中，用來代替人工完成待加工零件或者物料的空間轉(zhuǎn)移。由于其效率高、安全性高、生產(chǎn)質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)受到企業(yè)青睞。本文設(shè)計(jì)了一款三自由度桁架式機(jī)械手，其可以完成加工設(shè)備所需的上下料作業(yè)，可以承載較重的物料，并且其安全性可以得到保證[1-4]。

1 桁架機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)包括立柱、X軸、Z軸、末端執(zhí)行器等，如圖1所示。機(jī)械手的立柱主要起到支撐和固定的作用，在地面固定時(shí)使用地腳板組合增加抓地力，在頂端、側(cè)面連接位置添加加強(qiáng)筋防止立柱的變形。選用1060鋁合金作為主要的材料，立柱截面尺寸為250 mm×250 mm，厚度為10 mm，高度為3250 mm。在機(jī)械手的頂部有過渡件實(shí)現(xiàn)立柱與X軸的連接。

圖1 三自由度桁架式機(jī)械手

X軸主要起到支撐機(jī)械手末端執(zhí)行器和Z軸左右運(yùn)動的作用。由于X軸水平方向上整體跨距較大，負(fù)載的重力大，因此選用截面為180 mm×240 mm、厚度為10 mm的1060鋁合金，X軸側(cè)面安裝有兩條起導(dǎo)向和支撐作用的導(dǎo)軌和傳動齒條，并且在鏈條的末端安裝防撞塊，在X軸的頂面安裝感應(yīng)開關(guān)。在X軸的后側(cè)面通過過渡裝置，連接走線槽，走線槽內(nèi)主要放置的是電動機(jī)線和信號線。為了提高X軸的承載能力，X軸的內(nèi)部安裝加強(qiáng)筋。

機(jī)械手在X軸上通過傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)的直線運(yùn)動，在X軸的水平傳送機(jī)構(gòu)中其有齒條、齒輪、導(dǎo)軌、滾輪、過渡鏈接板等組成，其中齒條是通過內(nèi)六角螺栓拔合到桁架的T形鍵槽上，利用電動機(jī)作為驅(qū)動的動力源，通過減速器減速增扭，驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動Z軸實(shí)現(xiàn)整個(gè)手臂和抓取的物料沿水平方向進(jìn)行直線運(yùn)動。圓柱滾輪與過渡連接掛板之間通過內(nèi)六角螺栓連接，滾柱和導(dǎo)軌除具有導(dǎo)向作用外還承受整個(gè)Z軸和工件的重力，電動機(jī)提供驅(qū)動力克服導(dǎo)軌和滑塊之間由重力產(chǎn)生的摩擦力。

Z軸的主要作用是完成機(jī)械手的上升和下降運(yùn)動。用電動機(jī)作為驅(qū)動，通過減速器減速增扭，驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動帶動Z軸手臂實(shí)現(xiàn)豎直方向的上下運(yùn)動。材料選用1060鋁合金，橫截面規(guī)格為100 mm×150 mm，厚度為5 mm，高度為2900 mm。Z軸上安裝光電開關(guān)、導(dǎo)軌、齒條、防撞塊、線槽、固定板、掛板。

機(jī)械手的末端執(zhí)行器如圖2所示，整個(gè)機(jī)械手末端執(zhí)行器通過過渡件完成與Z軸的連接，并且末端執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)繞Z軸轉(zhuǎn)動。末端執(zhí)行器通過電動機(jī)作為驅(qū)動，經(jīng)過減速器傳遞轉(zhuǎn)矩，通過滾珠絲杠將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，以完成其對物料的抓放。

圖2 末端執(zhí)行器

2 桁架機(jī)械手支撐件的動靜特性分析

2.1 靜態(tài)分析

桁架機(jī)械手的立柱及Z軸是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要承重件，其承載能力是整個(gè)機(jī)械手能否正常工作的基礎(chǔ)。因此，分析機(jī)械手在工作的過程中承重件的應(yīng)力及位移是十分必要的。根據(jù)力學(xué)基礎(chǔ)可知當(dāng)機(jī)械手的X軸及末端執(zhí)行器位于Z軸的正中位置進(jìn)行運(yùn)動的時(shí)候，Z軸的承受最大力。由于該機(jī)械手由4根立柱支撐，跨度越大，Z軸的變形越大，為確保機(jī)械手的承載能力，因此選用跨度最大的2根立柱之間的架體進(jìn)行分析。

將SolidWorks創(chuàng)建的機(jī)械手模型，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。為降低仿真計(jì)算的復(fù)雜性，將模型中的倒角、螺紋孔等特征刪除。簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型圖

機(jī)械手的Z軸主要經(jīng)過焊接而成，其材料選用1060鋁合金，其密度為2700 kg/m3，屈服強(qiáng)度為90 MPa（0℃），簡化模型劃分的網(wǎng)格，選用六面體網(wǎng)格，立柱采用固定約束。

位移云圖如圖4所示，根據(jù)位移云圖分析結(jié)果可知X軸在整個(gè)機(jī)械手工作的過程中中心位置變形量最大，最大變形為0.234 13 mm。兩根立柱之間的距離是3100 mm，變形量相比兩根立柱之間跨度較小，不會對機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

圖4 位移云圖

應(yīng)力云圖如圖5所示，由應(yīng)力云圖分析結(jié)果可知在機(jī)械手工作的過程中，X軸最大承受17.489 MPa的力，最大承受力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，所以該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度需求。安全系數(shù)如圖6 所示，X軸的變形屬于彈 性 變形，最小安全系數(shù)大于1，因此機(jī)械手在該工況下滿足使用需求。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 安全系數(shù)

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種反映機(jī)械系統(tǒng)性能的指標(biāo)，主要用來確定整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率和相應(yīng)的振型，也可以用來確定機(jī)械系統(tǒng)的損傷。由于機(jī)械手工作的驅(qū)動力頻率不高，只需要考慮前幾階模態(tài)是否有發(fā)生共振的情況，所以只取前六階模態(tài)進(jìn)行分析，驗(yàn)證機(jī)械手結(jié)構(gòu)的合理性。

根據(jù)圖8所示，機(jī)械手一階到六階的振動頻率主要分布在11～37 Hz范圍內(nèi)。振動幅度最大為1.4 mm，最小約為0.6 mm，其第一階的模態(tài)振型表現(xiàn)為X軸向下傾斜，其第二階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第一根立柱向右傾斜和第三根立柱向左傾斜，其第三階的模態(tài)振型表現(xiàn)為整體向左傾斜，其第四階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第二根立柱向左傾斜X軸向下傾斜，其第五階的模態(tài)振型表現(xiàn)為第四根立柱向右傾斜，其第六階的模態(tài)振型表現(xiàn)為X軸向下傾斜。根據(jù)分析結(jié)果可以適當(dāng)提高變形較大零部件的材料規(guī)格。

圖7 前六階模態(tài)值

圖8 機(jī)械手前六階振型云圖

3 結(jié)論

桁架式機(jī)械手在工廠應(yīng)用較廣，其可以使勞動量較大上下料工作變得簡單迅速。本文主要介紹了桁架機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)，另外對機(jī)械手的主要支撐件進(jìn)行了動、靜態(tài)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和安全性。