螺柱焊零件上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

陳傳旺,周光吉,韓世偉,郭峻松,殷 勤

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400000;2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司,重慶 400000)

1 引 言

螺柱焊是用螺柱端頭和焊件表面之間引燃的電弧加熱并融化結(jié)合部位,經(jīng)快速擠壓而形成焊接接頭的一種電弧焊接方法[1],是各類軍用車體焊接工藝中非常重要的焊接方式[2],焊接所使用的核心部件螺柱-延長桿裝配體能否高效快速供應(yīng)是影響螺柱焊生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素之一。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前在螺柱焊實際裝配工藝過程中,仍然依靠技術(shù)人員在幾十種規(guī)格零件中人工尋找匹配的延長桿與螺柱,進(jìn)行手動上料和裝配來組成裝配體,存在工人勞動強(qiáng)度大、上料及裝配效率低、相似規(guī)格零件裝配僅憑肉眼分辨出錯率高、無法保證裝配扭矩一致等問題,進(jìn)而影響螺柱焊焊接點剛度和焊接質(zhì)量,以及車體附件的連接剛度和性能[3]。

對此,很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種汽車沖壓自動送料機(jī)械手,通過對機(jī)械手進(jìn)行運動學(xué)分析及關(guān)鍵零部件校核,實現(xiàn)了沖壓過程穩(wěn)定高效上料。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種四爪柔性搬運機(jī)構(gòu),并通過建立動力學(xué)模型計算得到最佳夾持力,優(yōu)化后使得作業(yè)效率達(dá)到同類型機(jī)械手的1.72倍,大大提高了生產(chǎn)效率。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一套輔助搬運機(jī)械手,通過對生產(chǎn)線整體節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,大大降低了機(jī)械手對大型板材抓取和位姿調(diào)整的操作難度。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種四自由度桌面機(jī)械臂,通過有限元分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后整體結(jié)構(gòu)運行過程更加平穩(wěn),質(zhì)量分布更加合理。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種銘牌自動上料機(jī),結(jié)合升降機(jī)等結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)實現(xiàn)了多規(guī)格銘牌上下料自動化,大大降低了生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[9]基于D-H方程建立了機(jī)械手動力學(xué)方程,并用ADAMS軟件對機(jī)械手整體進(jìn)行了動力學(xué)分析并進(jìn)行了優(yōu)化,大大提高了安全閥離線上料效率。文獻(xiàn)[10]設(shè)計了一款板材拆垛自動上料裝置,通過改進(jìn)抓取及分離機(jī)構(gòu),實現(xiàn)了拆垛自動上料自動安全平穩(wěn)運行。文獻(xiàn)[11]設(shè)計了一款直角坐標(biāo)上料機(jī)械手,通過結(jié)構(gòu)分析完成對關(guān)鍵部位的優(yōu)化與驗證,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[12]借助Ansys Workbench建立動力學(xué)模型對牙刷頭上料過程進(jìn)行了仿真分析,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),改進(jìn)后牙刷上料及裝配成功率大大提高。文獻(xiàn)[13]以戶外椅的連桿為對象設(shè)計了自動上料裝置,并進(jìn)行了連接桿的運動仿真,實現(xiàn)了連接桿進(jìn)入儲料箱姿態(tài)的一致整齊。上述機(jī)構(gòu)是否能應(yīng)用于多規(guī)格螺柱類零件的高效穩(wěn)定上料,這有待確定,因此,研制一套應(yīng)用于螺柱焊裝配過程中的自動化上料機(jī)械手是實現(xiàn)高效穩(wěn)定上料的關(guān)鍵。

對此,綜合考慮上料夾取對象螺柱焊零件的結(jié)構(gòu)特點及最優(yōu)上料路徑,設(shè)計一種用于多規(guī)格螺柱焊零件自動化上料的多自由度上料機(jī)械手結(jié)構(gòu),代替人工進(jìn)行識別、分揀與上料操作?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的三維模型,并裝配成完整的上料機(jī)械手系統(tǒng)。利用ANSYS Workbench對機(jī)械手關(guān)鍵承載部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,同時對機(jī)械手整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析,驗證機(jī)械手的運動性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行裝配系統(tǒng)設(shè)計過程中,選用豎直方向三爪卡盤與伺服擰緊軸進(jìn)行裝配動作,由于中部擰緊軸部分只能在豎直方向移動,故將延長桿與附座上料機(jī)械手分別設(shè)置在零件裝配系統(tǒng)的左右兩側(cè),分別從左右兩個方向進(jìn)行上料。裝配系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.伺服擰緊軸;2.延長桿上料機(jī)械手;3.三爪卡盤;4.延長桿上料振動盤;5.螺柱上料振動盤;6.螺柱上料機(jī)械手

為節(jié)省上料裝配時間,提高運行效率,設(shè)置延長桿與螺柱同時上料且上料時間保持一致。因延長桿與螺柱均為圓桿件,因此兩種零件的整列及機(jī)械手夾取方式均采用振動盤整列送料、機(jī)械手夾取上料的工作方式,左右兩側(cè)的上料運動軌跡保持對稱。機(jī)械手機(jī)構(gòu)運動原理圖如圖2所示。機(jī)械手在1處沿Z軸方向做豎直升降運動,實現(xiàn)達(dá)到夾取點;在2處繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運動,實現(xiàn)將零件送料至夾緊機(jī)構(gòu)處;在3處沿X軸做水平平移運動,實現(xiàn)將零件與夾緊機(jī)構(gòu)對心;在4處繞Y軸做翻轉(zhuǎn)運動,將夾持零件由水平位姿轉(zhuǎn)換為豎直位姿;在5處繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運動,便于更改零件上料方向。由圖2可知,延長桿與螺柱上料機(jī)械手均為5自由度(3個旋轉(zhuǎn)運動副與2個直線運動副)。

圖2 上料機(jī)械手運動原理簡圖

根據(jù)生產(chǎn)實地調(diào)研可知,延長桿(如圖3左所示)零件的尺寸范圍為Φ10mm×43mm～Φ14mm×78mm,配套螺柱(如圖3右所示)零件的尺寸范圍為Φ12mm×15mm～Φ24mm×55mm,最大質(zhì)量為400g,最小質(zhì)量為20g。螺柱尺寸如表1所示,延長桿尺寸如表2所示。

表1 螺柱零件尺寸

表2 延長桿零件尺寸

圖3 延長桿與螺柱實物圖

上料過程中,單工位裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了機(jī)械手單次上料只能夾持一個零件,據(jù)此結(jié)合運動原理簡圖對各機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行選型。圖2中,1處升降運動采用豎直安裝的滾珠絲杠模組實現(xiàn)滑塊的升降運動,并使用導(dǎo)軌滑塊作為導(dǎo)向和支撐零部件;2處旋轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)平臺,并通過直角板與豎直滾珠絲杠模組進(jìn)行連接;3處水平移動采用小型滾珠絲杠模組實現(xiàn),并通過工字梁與旋轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行連接;4處豎直翻轉(zhuǎn)選用側(cè)姿90°翻轉(zhuǎn)氣缸,通過連接板與水平滾珠絲杠模組滑塊進(jìn)行連接;5處采用180°葉片旋轉(zhuǎn)氣缸,并連接側(cè)姿翻轉(zhuǎn)氣缸與端夾器。具體選型參數(shù)如表3所示。

表3 各部件名稱及關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)機(jī)械手運動原理簡圖與選型部件參數(shù)型號,基于虛擬樣機(jī)技術(shù),利用SolidWorks對上料機(jī)械手的各個零部件進(jìn)行三維模型構(gòu)建,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)各關(guān)節(jié)自由度設(shè)置進(jìn)行合理裝配,形成最終機(jī)械手三維結(jié)構(gòu),如圖4所示。

1.豎直滾珠絲杠;2.上直角板;3.下直角板;4.旋轉(zhuǎn)平臺;5.工字梁;6.水平滾珠絲杠模組;7.側(cè)姿翻轉(zhuǎn)氣缸;8.旋轉(zhuǎn)氣缸;9.端夾器

零件上料時,通過豎直滾珠絲杠滑臺下降到達(dá)夾取平面,水平滾珠絲杠調(diào)節(jié)端夾器至合適夾取位置后進(jìn)行夾取,隨后豎直滾珠絲杠滑臺上升并根據(jù)零件類型進(jìn)行自主旋轉(zhuǎn)并翻轉(zhuǎn),通過旋轉(zhuǎn)平臺與水平滾珠絲杠滑臺實現(xiàn)零件與夾緊機(jī)構(gòu)對心后,豎直滾珠絲杠滑臺將零件送入夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行夾緊后退出裝配工位。

3 關(guān)鍵零部件靜力學(xué)分析

為驗證機(jī)械手結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的安全可靠性,利用ANSYS有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,根據(jù)結(jié)構(gòu)分析受力情況設(shè)置邊界條件,計算在設(shè)定載荷作用下,結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)變形與應(yīng)力集中情況,以此驗證上述結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計要求,最終達(dá)到平穩(wěn)安全運行的效果。

將機(jī)械手的整體三維模型導(dǎo)入到有限元軟件之前,需要在分析目的以及計算機(jī)性能匹配的前提下簡化模型[14],將不必要的倒角、圓孔、凸起等不影響結(jié)構(gòu)性能的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,簡化后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.豎直滾珠絲杠;2.上直角板;3.下直角板;4.旋轉(zhuǎn)平臺;5.工字梁;6.水平滾珠絲杠模組;7.側(cè)姿翻轉(zhuǎn)氣缸;8.旋轉(zhuǎn)氣缸;9.端夾器

3.1 工字梁靜力學(xué)分析

通過對上料機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,工字梁作為連接水平滾珠絲杠與旋轉(zhuǎn)平臺的懸臂梁,其受力情況最為復(fù)雜,負(fù)載較大,因此選取此零件作為靜力學(xué)分析對象。工字梁的材料為6063鋁合金,其材料特性參數(shù)見表4,其屈服應(yīng)力為90MPa,安全系數(shù)取1.5,許用應(yīng)力為60MPa。劃分網(wǎng)格對象選擇整個物體,網(wǎng)格的尺寸定為1mm,劃分結(jié)束后共167152個節(jié)點和97630個單元。對工字梁內(nèi)圓環(huán)表面添加約束,通過靜力學(xué)計算分析得到工字梁懸伸端與水平滾珠絲杠滑臺連接處產(chǎn)生的力和力矩分別為82.3N和5.62N·m,添加負(fù)載后進(jìn)行求解計算。

表4 6063鋁合金材料屬性

圖6為工字梁應(yīng)力云圖,應(yīng)力主要集中在工字處,最大應(yīng)力為38.326MPa,仿真結(jié)果未超過材料最大許用應(yīng)力,而工字梁其余部位應(yīng)力均遠(yuǎn)小于此處,因此結(jié)構(gòu)安全。分析其原因是工字梁一端固定約束、一端集中受力,受力部位均位于懸伸端最遠(yuǎn)點,因此最大應(yīng)力集中在約束端直徑變化最大處。

圖6 工字梁應(yīng)力云圖

圖7為工字梁總應(yīng)變云圖,最大變形發(fā)生在工字梁懸伸端下表面的邊緣處,在最危險情況下,懸伸端最大變形量約為0.1889mm,且由懸伸端向約束端變形值越來越小,所以應(yīng)變滿足需求。結(jié)合應(yīng)力云圖與總應(yīng)變云圖,可知工字梁的強(qiáng)度和剛度滿足需求。

圖7 工字梁總應(yīng)變云圖

3.2 旋轉(zhuǎn)平臺下直角板靜力學(xué)分析

上料機(jī)械手的下直角板作為旋轉(zhuǎn)平臺的主要支撐部件,其負(fù)載較大,因此選取下直角板進(jìn)行靜力學(xué)分析。下直角板的材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼,其材料特性參數(shù)見表5,其屈服應(yīng)力為235MPa,安全系數(shù)取1.5,許用應(yīng)力為160MPa。劃分網(wǎng)格對象選擇整個物體,網(wǎng)格的尺寸定為1mm,劃分結(jié)束后共242630節(jié)點和138964個單元。對下直角板側(cè)邊的4個通孔施加固定,通過靜力學(xué)計算分析可知,下直角板所受負(fù)載為120N,添加負(fù)載后進(jìn)行求解計算。

表5 Q235材料屬性

圖8為下直角板應(yīng)力云圖,應(yīng)力主要集中在下直角板直角附近,最大應(yīng)力點在靠近直角的固定孔下邊緣處,最大應(yīng)力為55.798MPa,其余部位應(yīng)力均小于此處。仿真所得最大應(yīng)力未超過最大許用應(yīng)力,所以結(jié)構(gòu)滿足要求。

圖8 下直角板應(yīng)力云圖

圖9為下直角板總應(yīng)變云圖,最大變形發(fā)生在下直角板水平面末端中心處,在最危險情況下,最大變形量約為0.2885mm,且由末端邊緣向直角處變形越來越小,所以應(yīng)變滿足要求。結(jié)合應(yīng)力云圖與總應(yīng)變云圖,可知下直角板的強(qiáng)度和剛度滿足需求。

圖9 下直角板總應(yīng)變云圖

4 整機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是指計算結(jié)構(gòu)動態(tài)性能數(shù)值的過程,固有頻率及其所產(chǎn)生的振型是描述動態(tài)性能的兩個重要參量[15]。振動分析涉及上料機(jī)械手的動態(tài)特性,當(dāng)機(jī)械手頻率接近其固有頻率時就會發(fā)生共振,通過模態(tài)分析計算合理選擇電機(jī)速度區(qū)間以避免其在共振頻率下工作[16,17]。

根據(jù)無阻尼模態(tài)分析求解計算其特征值,建立機(jī)構(gòu)運動的矩陣方程來描述其動力學(xué)問題,則:

(1)

將結(jié)構(gòu)做簡諧自由振動的正弦位移函數(shù)代入式(1)中可得:

([K]-ω2[M]){x}={0}

(2)

4.2 網(wǎng)格劃分

為更加全面地了解上料機(jī)械手整體模態(tài)情況[18],取翻轉(zhuǎn)氣缸豎直位姿典型姿態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析,將三維模型進(jìn)行簡化后導(dǎo)入ANSYS Workbench,劃分網(wǎng)格方式選為自動劃分網(wǎng)格,網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)束后如圖10所示。劃分結(jié)束后共113953個節(jié)點、57471個單元。

圖10 上料機(jī)械手整機(jī)網(wǎng)格劃分

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)合上料機(jī)械手的實際工作情況,豎直滾珠絲杠滑臺背板的通孔在工作過程中交替承受拉伸和壓縮作用力。因此,將豎直滾珠絲杠滑臺背板通孔進(jìn)行Fixed Support約束。模態(tài)分析得到的上料機(jī)械手前6階固有頻率見表6,翻轉(zhuǎn)氣缸豎直位姿模態(tài)分析振型圖如圖11所示。

表6 上料機(jī)械手前6階固有頻率

圖11 翻轉(zhuǎn)氣缸豎直位姿模態(tài)分析振型圖

機(jī)械手的1階振型振動方向主要為Y軸方向,振動幅度由豎直升降滾珠絲杠底座往端夾器逐漸增大,端夾器末端振動幅度最大,發(fā)生左右擺動,其他方向的振幅可以忽略不計。機(jī)械手的2階振型振動方向主要為X軸方向,振動幅度由豎直升降滾珠絲杠底座往端夾器逐漸增大,振動方向為上下擺動。機(jī)械手的3階振型振動方向主要為Y軸方向,X軸也有振動,Z軸振動可以忽略不計,振動幅度由翻轉(zhuǎn)氣缸與旋轉(zhuǎn)氣缸連接處往Z軸正負(fù)方向分別增大。機(jī)械手的4階振型振動方向主要為X軸、Z軸方向,沿X軸和Z軸正方向處振幅逐漸增大。機(jī)械手的5階振型振動方向主要沿X軸、Z軸方向,振動幅度從水平滾珠絲杠滑臺末端向工字梁和端夾器末端逐漸增大,呈S形波動。機(jī)械手的6階振型振動方向主要沿Y軸方向,以翻轉(zhuǎn)氣缸與旋轉(zhuǎn)氣缸連接點為中心上下部分反向左右擺動,端夾器末端振幅最大。

結(jié)合表6與圖11可知,上料機(jī)械手的主要振動形式為端夾器左右擺動,因此,為防止上料機(jī)械手在使用過程中發(fā)生共振,應(yīng)確保干擾頻率遠(yuǎn)離各階固有頻率。

5 結(jié) 論

(1)針對目前人工分揀上料的裝配效率低、型號匹配易出錯等問題,設(shè)計了一款用于螺柱焊延長桿和螺柱的自動化上料機(jī)械手,提高了上料效率和配對準(zhǔn)確率。

(2)基于ANSYS Workbench對機(jī)械手關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,結(jié)果表明,機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求,其關(guān)鍵零部件的剛度和強(qiáng)度可靠。

(3)基于簡化的機(jī)械手三維模型,進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)分析,得到了結(jié)構(gòu)的低階固有頻率及模態(tài)振型云圖,明確了共振頻率范圍,為后期轉(zhuǎn)速和運行速率設(shè)計提供了理論依據(jù),為機(jī)械手平穩(wěn)運行奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述,螺柱焊零件上料機(jī)械手設(shè)計實現(xiàn)了在較低成本下代替人工進(jìn)行多種零件精準(zhǔn)高效自動化上料的目的,提高了上料的準(zhǔn)確性和裝配成品合格率,保證了螺柱焊接工藝質(zhì)量的穩(wěn)定,且可推廣應(yīng)用于其他工藝生產(chǎn)上料流程,具有一定的工程價值和應(yīng)用前景。