​工业机械手-为解决大型闭式压力机单机自动化上下料机械手设计的机械结构

 于 涛，邓增阁，郭 涛，李玉增，闫家奇

      摘要: 以解决 YT28-1030 闭式压力机上下料问题为例，设计了单机自动化上下料机械手，通过 SolidWorks 对机械手进行三维 建模，完成上下料机械手结构布局，并根据设计要求完成了对机械手的机械结构设计。并运用 Adams 软件对机械手进行运动 学仿真，结果证明: 该上下料机械手运动过程无明显冲击和振动。最后用 ANSYS workbench 对机械手主要受力部件进行受力 分析，分析结果表明: 其变形较小，符合设计要求。通过现场安装试验，对试验样机进行为期 20 天的现场调试，对调试阶段 出现的问题进行改进，保证机械手工作的准确性，验证该机械手设计的合理性以及稳定性。研究结果表明: 该机械手符合设 计要求，能够正常工作。

       冲压成形是机械加工中常用的成形方式，随着我国冲压行业的发展，板料冲压设备性能逐渐与世界接轨，冲压生产自动化程度得到了进一步提高。传统公司会设计一整套自动化流水线，以提高公司的生产效率、降低成本。例如，2018年6月27日由济南二机床集团有限公司承担的国家科技重大专项 “大型全伺服冲压生产线示范工程”项目在武汉通过技术验收，为国内首条50000 kN大型全伺服冲压生线，实现了国产冲压技术的重要突破，彻底打破了国外同行在高端市场的垄断。然而，对于中小配套企业来说，此种方式成本较高、可行性较低，采用单机自动化柔性更高、成本更低、更符合企业的发展需求。机械手的问世为人们在提高生产自动化和生产效率方面提供了新的思路。本文 以 TY28-1030 闭式压力机为例，设计了一套单机自 动化上下料机械手。

       YT28-1030 闭 式 压 力 机 ( 以下简称为 “压力机”) 为大型薄板拉伸液压机，适合薄板的拉伸、 弯曲、成形等工艺，有定程和定压两种运动方式， 属于框架式四柱结构，抗偏载、液压冲击小、动作 稳定。该压力机通常采用人工进行上下料，一侧上 料、一侧下料，不仅工作效率低下、劳动量大，存在人力、物力和财力。引入机械手代替人工完成操作 任务是冲压成形技术发展的重要方向之一。

1 上下料机械手布局及结构设计

      压力机为框架式四柱结构，只能从前、后两个 方向进行上下料，并且移动工作台只能在一个方向 上移动，故在压力机两侧分别安装上料机械手和下 料机械手。其布局如图 1 所示。

      由于上料时间的和下料时间存在重合部分，并 且，上下料机械手的动作几乎完全一致，故将上料机 械手和下料机械手分开，并且采用完全一样的结构。 上料机械手和下料机械手分别安装在两侧桁架上，桁 架两端采用牛头支座支撑，牛头支座一端直接与压力 机焊接。 机械手在 X 轴方向上做左、右平移运动，在 Z 轴方向上做上、下运动，在 Y 轴方向上做前、后平移运动，故上料机械手和下料机械手的自由度均为 3，其上料机械手的直角坐标形式如图 2 所示。

        上下料机械手的 X 轴机械臂利用齿轮齿条的传动方式在桁架上运动，使用导轨滑块作为导向和支撑零部件; Z 轴机械臂采用齿轮齿条的传动方式， 在 Z 轴上做直线运动; Y 轴机械臂要求移动的行程较长，为保证 Y 轴的运动精度，Y 轴机械臂的传动 方式采用齿轮齿条传动。在机械臂的末端位置安装端拾器。板料的尺寸范围为 1200 mm × 800 mm ～ 2500 mm × 1600 mm，厚度为 0. 5 ～ 2 mm，最大质量 为 20 kg。根据机械手的运动特点以及设计要求，利用SolidWorks 对机械手进行三维建模。

       上下料机械手的结构如图 3 所示。前后运动机 械手臂通过固定滑块和滚轮的滚轮滑块连接架滑动 连接，通过纵向运动机构电机座的伺服电机，带动输出端减速器旋转，将运动传递给齿轮，经齿轮齿条互相啮合进而驱动机械手臂运动。该机械手在Z 轴和X 轴上的运动与上述相同。

2基于 Adams 的运动学分析

       2. 1 模型的建立由于上下料机械手模型较复杂，需要在 Solid- Works 中建立三维模型后导入Adams 中，对 Solid- Works 软件中建好的机械手三维模型进行简化，在结构简化时，要尽可能减小对仿真分析结果的影响。

       根据上下料机械手的特点，在建模时进行以下处理，简化原则为: ( 1) 焊接零部件使用一个零件表示; ( 2) 忽略导轨滑块等的装配误差; ( 3) 忽略电缆、拖链等辅助零部件。将模型进行合理的简化达到 预期的效果，以便提高仿真效率。其简化的模型如图 4 所示。

        2. 2 施加约束和驱动为模拟上下料机械手的运动过程，需要对各部分添加约束、载荷和驱动。首先，定义部件的材料属性。然后，需要在各零部件之间添加约束: 压力机作为固定物体与大地建立固定副; 桁架作为固定轴 X，与压力机建立固定副; 导轨滑块在桁架上移动，建立移动副; Z 轴机械臂安装在导轨滑块上， 在Z 轴方向上建立移动副; Y轴机械臂与Z 轴机械 臂建立移动副，在 Y 轴方向上移动。最后，应用 step 函数为各个关节添加驱动。

       2. 3 输出结果分析首先，设置仿真时间为 30 s，步长为 0. 01，点 击仿真键进行仿真，仿真结束后进入后处理界面， 依次选择 object—body—Y1 /Y2—CM_ Velocity /CM_ Acceleration—X、Y、Z，输出结果如图 5 所示

       从上下料机械手速度曲线中可以看出: Y 轴机 械手最大运行速度约为 350 mm·s － 1，运行较平稳。 而在上下料机械手的加速度曲线中存在突变，每次 突变都是在速度开始运行阶段，其余过程运行较为 平稳。由以上结果分析可以得出: 上下料机械手符 合设计要求，能够正常、平稳地工作。

3 基 于 ANSYS Workbench的机械手

受力分析

       在完成机械手的设计之后，并不能完全保证结构在实际应用中的安全可靠性。利用有限元软件对 结构进行静力学分析，计算在设定载荷作用下，机v> 械结构的应力和应变，通过分析零部件变形量的大 小是否符合设计要求。

       上下料机械手的三维模型已经利用 SolidWorks 建立，把机械手的三维模型导入到有限元软件之前， 需要对三维模型进行简化处理，不必要的倒角、圆 孔、零部件等可省略在与分析目的以及计算机性能 匹配的前提下简化模型，能使整体结构在有限元分 析过程中更加流畅，节省时间和精力。

       桁架几乎承受了上料机械手和下料机械手的全 部载荷，在对桁架进行静力学分析时，要考虑到机械手在运动过程中所产生的最大载荷。当机械手运行距离最远时，Z 轴下降到最低; Y 轴伸出距离最远时，Z、Y 轴上力的作用点和桁架质心之间的距离达到最远，产生的力矩最大，此位置是分析桁架受力变形和应力分布的最佳位置。Y 轴和 Z 轴的总质量为 259 kg，板料距桁架中心为2250 mm，板料最大质量为 20 kg，忽略桁架自重，以此作为依据，对桁架施加载荷。将 SolidWorks 建立的三维模型导入到 ANSYS Workbench 中，根据表1定义材料属性。

       对桁架进行简化处理后，利用 ANSYS Work- bench划分网格，共生成1491786 个单元格、343962 个节点，然后对其施加约束和载荷，得到桁架的静力载荷分析结果，如图 6 所示。

       由分析结果可以看出，在最危险的工况下，最 大变形量约为 0. 040 mm，根据超长型导轨的最大弯 曲量为 0. 1 mm 判定，桁架即 X 轴不会发生强度破 坏，其最大的变形量符合设计要求。

4 实物样机及试验分析

      上下料机械手实物如图 7 所示，根据其工作的情况来判断该设计是否合理。

机械手在车间完成安装调 试后，进行了为期 20 天的现场试验，通过对机械手 的实际操作，验证机械手机械结构设计的合理性，以 及仿真结果的正确性，其试验记录如表2 所示。前14 天成功率均不足 100%，经过试验分析，由于工厂所 提供的气压不足，导致端拾器不能有效地拾取板料， 后改进气压，单独为端拾器供压，成功率均为 100%。 结果证明: 该上下料机械手机械结构设计合理，运行 可靠且无明显振动，桁架无变形，能够正常工作。

5 结语

       针对 YT28-1030 压力机的上下料问题，本文完成 了对机械手的设计以及布局，并利用 SolidWorks 对机 械手进行建模，通过 Adams 完成了仿真分析，对上下料机械手的运动速度和加速度进行了分析，结果证明: 机械手存在柔性冲击，但无刚性冲击，符合设计要求。并且运用了 ANSYS Workbench 对主要受力件 ( 桁架) 进行了静力学分析，其变形较小，不影响机械手正常 工作。通过现场试验验证了该机械手设计的合理性， 以及运行稳定性和可靠性。研究结果证明: 该机械手能够有效地解决该压力机的上、下料问题。

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