采用機(jī)器人上下料的輪轂夾具設(shè)計(jì)與分析
2024-7-4 來源： 四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 作者： 明濤 李劍
【摘要】: 工業(yè)機(jī)器人越來越多的應(yīng)用到智能制造領(lǐng)域，最典型的應(yīng)用之一就是配合數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)上下料，從而實(shí)現(xiàn)一定程度的無人值守，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。結(jié)合實(shí)際情況，本文首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了選型，然后對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，為系統(tǒng)制造提供依據(jù)。
機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械、電子、軟件等多學(xué)科交叉融合的新技術(shù)，不僅是工科領(lǐng)域最具代表性的前沿交叉學(xué)科之一，也是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步和制造業(yè)的不斷升級(jí)，采用工業(yè)機(jī)器人代替人工生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化、智能化，可以有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文在選定成熟機(jī)器人的基礎(chǔ)上，針對(duì)零件具體情況，設(shè)計(jì)合適的夾具以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)的功能。本文采用 SolidWorks軟件進(jìn)行夾具的設(shè)計(jì)和分析，SolidWorks 是世界知名的三維設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，集設(shè)計(jì)、仿真、渲染等功能于一體，能夠方便快捷實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)跟優(yōu)化。
1. 機(jī)器人上下料系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
如圖 1 所示，數(shù)控車加工中心為主體設(shè)備，機(jī)器人放置在車床正前方，機(jī)器人左側(cè)可設(shè)置傳送線用于待加工零件的來料，機(jī)器人右側(cè)可設(shè)置傳送線用于已加工零件的走料。機(jī)器人跟車床之間通常需要留有約 1 米的間距，如果機(jī)器人出現(xiàn)故障，可臨時(shí)沿用傳統(tǒng)的人工吊裝等方式實(shí)現(xiàn)上下料，不耽誤生產(chǎn)。
圖 1 機(jī)器人上下料系統(tǒng)整體
2. 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)用途有不同的類型可以選擇，本文中上下料需要機(jī)器人有更多的自由度，因此本文選擇六自由度機(jī)器人。由于零件重量為46kg，夾具重量假設(shè)跟零件重量相當(dāng)，則機(jī)器人末端負(fù)載約 100kg。考慮機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)帶來的額外負(fù)載以及價(jià)格因素，本文選用四大家族之一的安川 GP110 機(jī)器人。安川作為機(jī)器人品牌全球四大家族之一，其產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，功能強(qiáng)大。該款機(jī)器人運(yùn)動(dòng)半徑高達(dá) 2236mm，具體技術(shù)參數(shù)如圖 2 所示。
圖 2 機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)
3. 夾具設(shè)計(jì)
夾具作為系統(tǒng)的主要部件之一，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要確保其穩(wěn)定可靠。首先，需要分析被夾持工件的特點(diǎn)，被夾持的工件是回轉(zhuǎn)件，其材料為鋁合金，其重量約 46kg，夾持的時(shí)候不能損傷工件表面。其次，分析夾持要求，夾持的時(shí)候需要同時(shí)考慮夾持和定位，工件被定位后才能準(zhǔn)確抓取到機(jī)床上。基于上述條件，夾具的構(gòu)想方案如圖 3 所示，夾具具備兩個(gè)夾持板，夾持板上設(shè)置 2 個(gè)能夠滾轉(zhuǎn)的輪子用于夾持過程中工件跟夾具實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)定心。同時(shí)，夾持板能夠在夾具基座上相對(duì)滑動(dòng)，并且需要保持一定的剛性。
圖 3 夾具方案
加工生產(chǎn)，效率是非常重要的因素之一，為了提高夾持響應(yīng)，本文采用連桿驅(qū)動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)夾持板的夾持和松開動(dòng)作。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)夾持定心，則需要兩個(gè)夾持板能夠繞夾具中心同步夾持和張開。為此，連桿采用中心對(duì)稱的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。夾具上的兩個(gè)夾持板即為機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的滑塊，如圖 4 所示。
圖 4 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
4. 夾具計(jì)算及分析
（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算及選擇
圖 5 連桿尺寸
如圖 5 所示，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動(dòng)連桿拉動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，在圖示處實(shí)現(xiàn)夾具對(duì)輪轂的夾持，此時(shí)曲柄垂直連桿，輸出力最大。
分析連桿受到的拉力，乘上一定的安全系數(shù)就能得到驅(qū)動(dòng)軸所需要的扭矩，在圖 5 所示狀態(tài)下，下連桿受到的拉力最大，為一側(cè)夾持板及滑持板、滑塊、工件的重力合計(jì)約 550N。注意到，上夾持板及滑塊的重力同樣通過上連桿作用到驅(qū)動(dòng)軸上，因此還需要增加上夾持板及滑塊的重力約 90N，作用在驅(qū)動(dòng)軸上的重力總共約 640N。則驅(qū)動(dòng)軸需要的扭矩為
取 2 倍安全系數(shù)則驅(qū)動(dòng)軸需要的扭矩約93N · m。假設(shè)夾持過程需要耗時(shí) 1s，夾持過程驅(qū)動(dòng)軸需要旋轉(zhuǎn) 60°。則驅(qū)動(dòng)軸所需轉(zhuǎn)速為 10r/min。電機(jī)所需要功率如下 :
考慮后期提速并且保留更多余量，電機(jī)選用松下 200W 伺服電機(jī)，配置速比 150 的減速機(jī)。電機(jī)及參數(shù)如圖 6 所示。
圖 6 伺服電機(jī)及參數(shù)
（2）直線導(dǎo)軌的選擇
根據(jù)上文中計(jì)算，直線導(dǎo)軌主要需滿足扭矩需求，為確保夾具剛性，直線導(dǎo)軌在 100N·m扭矩基礎(chǔ)上再取一定安全系數(shù)選擇 IAS23-H42-L600 型直線導(dǎo)軌，其行走方向扭矩高達(dá)550N · m。具體參數(shù)如圖 7 所示。
圖 7 直線導(dǎo)軌參數(shù)
（3）夾持板仿真
仿真采用三維軟件自帶插件 ——Simulation，Simulation 是 SolidWorks 公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與 SolidWorks 無縫集成，運(yùn)用simulation，普通工程師就可以進(jìn)行工程分析并可以迅速得到分析結(jié)果。
夾具的導(dǎo)軌有具體的參數(shù)指標(biāo)，而且按照很高的安全系數(shù)選取，因此不需要擔(dān)心性能。夾持板為關(guān)鍵零件且為自制件，需對(duì)其進(jìn)行仿真分析，上下兩個(gè)夾持板完全對(duì)稱，因此，對(duì)一側(cè)夾持板分析即可。
對(duì)需要仿真的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，確定零件實(shí)際受力方式，如圖 8 所示。夾持板底座固定在導(dǎo)軌滑塊上，兩處安裝滾輪的夾持軸孔受到夾持的反作用力。因此，設(shè)定夾持板底座為固定，設(shè)定夾持軸孔受力，根據(jù)角度分布，其合力為工件的重力 460N，取一定安全系數(shù)，取每個(gè)夾持孔受力大小為 300N，方向垂直圓弧切面且反向指向圓心。
圖 8 夾持板參數(shù)設(shè)定
準(zhǔn)備好模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖9 所示。
圖 9 夾持板網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分好后就可以開始仿真，仿真結(jié)果如圖 10、圖 11 所示。可以看到，夾持板的強(qiáng)度和剛性均滿足要求。
圖 10 夾持板強(qiáng)度仿真結(jié)果
圖 11 夾持板剛度仿真結(jié)果
5．結(jié)論
本研究通過 SolidWorks 繪制夾具的三維模型，并且通過計(jì)算和仿真確定了夾具的器件及關(guān)鍵自制件滿足設(shè)計(jì)要求，為機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的夾具制作及系統(tǒng)制作提供了理論依據(jù)，為用戶提供一種基于三維建模的快速夾具設(shè)計(jì)環(huán)境。
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