目前國內對空心線(xiàn)圈的制造主要是通過(guò)人工將線(xiàn)板纏繞到線(xiàn)板上,不僅所需要的人工投入大,而且纏繞錯誤還會(huì )導致廢品率上升,總體來(lái)說(shuō)我國的空心線(xiàn)圈生產(chǎn)效率非常低。國外在生產(chǎn)空心線(xiàn)圈方面比較成熟,空心線(xiàn)圈生產(chǎn)線(xiàn)主要依靠由多個(gè)自動(dòng)化設備協(xié)同完成,其中機械手的上料以及精準機對線(xiàn)圈的精準纏繞至關(guān)重要。因此,合理對空心線(xiàn)圈繞線(xiàn)機的機械手進(jìn)行優(yōu)化設計,是能正常高效生產(chǎn)空心線(xiàn)圈的關(guān)鍵因素。
1 主要研究?jì)热?
空心線(xiàn)圈的生產(chǎn)線(xiàn)離不開(kāi)機械手的高效應用,在線(xiàn)圈纏繞完畢后成為半成品,這時(shí)候的線(xiàn)圈需要進(jìn)過(guò)一定的處理才能加工為成品。然而剛加工為半成品的線(xiàn)圈溫度很高,依靠人工取下再安裝到精準機上需要耗費很多的時(shí)間。本研究旨在設計一種能多角度活動(dòng)的機械手系統,在對線(xiàn)圈生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行仿真模擬,根據模擬的結果確定一套優(yōu)化方案,使機械手能完成從上料到裝備到精準機主軸上的一系列運動(dòng)。具體的研究?jì)热萑缦拢?
(1)對當前幾種上下料機械手的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行調查,根據所要完成的功能以及幾種機械手的原理確定出設計目標和優(yōu)化路線(xiàn),確定設計方案。
(2)根據設計方案以及機械手的動(dòng)作進(jìn)行結構設計,對機械手連接零件進(jìn)行仿真模擬,對零件的變形、應力云圖進(jìn)行論證分析,分析零件的動(dòng)力學(xué)性能確定所選材料。
(3)對確定好的機械手進(jìn)行最佳參數優(yōu)化,改善運動(dòng)副所受傾覆力矩,減少機械手零件的最大受力,增加生產(chǎn)線(xiàn)的使用壽命。
(4)運用solidworks、ANSYS等軟件對機械手進(jìn)行仿真模擬分析,驗證各個(gè)部件的設計是否合理,運用拓撲優(yōu)化的方法,對不合理的結構進(jìn)行改善,提高機械手精準度的同時(shí)降低制造的成本。
2 機械手總體方案設計
2.1 上下料機械手系統方案設計
2.1.1 繞線(xiàn)原理
線(xiàn)圈的生產(chǎn)主要依靠斜繞式的方法,這種繞線(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是纏繞簡(jiǎn)單不需要多余的動(dòng)作,而且纏繞的線(xiàn)圈排線(xiàn)緊密,這種斜繞式的纏線(xiàn)方法非常適合線(xiàn)圈的批量生產(chǎn)。根據實(shí)際需要,在生產(chǎn)不同直徑線(xiàn)圈的時(shí)候,如果線(xiàn)圈的直徑發(fā)生了改變,只需要將所對應的線(xiàn)圈芯軸套更換即可,不同型號的線(xiàn)圈對應著(zhù)不同尺寸的芯軸。在加工線(xiàn)圈的過(guò)程中,線(xiàn)嘴沿著(zhù)芯軸做直線(xiàn)運動(dòng),電動(dòng)機帶動(dòng)芯軸勻速轉動(dòng),繞制出的銅線(xiàn)軌跡為斜線(xiàn)。
2.1.2 線(xiàn)圈生產(chǎn)的主要流程
由機械手將未加工的線(xiàn)圈安裝到主軸上,然后繞線(xiàn)機通過(guò)斜繞式的方法將銅線(xiàn)纏繞到線(xiàn)圈上,然后經(jīng)過(guò)精準機主軸,再到精準機精準線(xiàn)圈,最后完成線(xiàn)圈的生產(chǎn)。本研究需要對上下料的機械手進(jìn)行設計,旨在使機械手能配合繞線(xiàn)機跟精準機正常對接,完成線(xiàn)圈的自動(dòng)化生產(chǎn)。在設計的初期,需要確定上下料所需要的空間以及對接位置,即繞線(xiàn)機末端線(xiàn)圈心軸套筒軸線(xiàn)與精準機主軸的位置關(guān)系,確認位置及對接關(guān)系后根據實(shí)際情況對機械手的位置以及每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行設計,既能解決空間問(wèn)題,還能盡可能的節約能源,降低成本。
2.2 機械手自由度分析
機械手需要在繞線(xiàn)機和精準機之間組裝線(xiàn)圈,使線(xiàn)圈的加工經(jīng)過(guò)繞線(xiàn)機末端到精密機床主軸的一系列動(dòng)作。本文設計的機械手需要安裝在繞線(xiàn)機和精準機之間。為了完成繞線(xiàn)機和精密機器之間的線(xiàn)圈組裝,本研究確定了機械手的執行動(dòng)作,每個(gè)動(dòng)作通過(guò)哪些運作完成,以及完成動(dòng)作需要多少自由度,從而確定機械手的類(lèi)型。機械手需要完成的主要動(dòng)作為:
在機械手從繞線(xiàn)機的初始位置移動(dòng)到終止位置這個(gè)過(guò)程中,機械手抓住線(xiàn)圈并移動(dòng)到中間位置,將線(xiàn)圈組裝到精準機的主軸上。在機械手向繞線(xiàn)機機移動(dòng)過(guò)程中,可以通過(guò)沿直線(xiàn)方向移動(dòng)對來(lái)實(shí)現該這一動(dòng)作,這個(gè)運動(dòng)確定一個(gè)自由度,設定為 X 軸移動(dòng)副;機械手的抓取線(xiàn)圈和松開(kāi)線(xiàn)圈可以通過(guò)正向和負向的線(xiàn)性運動(dòng)來(lái)實(shí)現,完成這個(gè)動(dòng)作,可以通過(guò)沿直線(xiàn)方向的手爪夾持移動(dòng)副。由于生產(chǎn)線(xiàn)存在擋板,離開(kāi)繞線(xiàn)機的動(dòng)作需要繞開(kāi)擋板,所以機械手在移動(dòng)時(shí)需要在垂直方向上向上移動(dòng)一段位移,然后水平繞過(guò)擋板,這兩個(gè)動(dòng)作是水平方向的,自由度與第一個(gè) X 軸移動(dòng)對相同。豎直方向單獨確定一個(gè)移動(dòng)自由度,設定為 Z 軸移動(dòng)副,Z 與重力加速度方向相反;最后的裝配動(dòng)作需要水平面垂直X方向的另一個(gè)移動(dòng)副輔助完成動(dòng)作,定為第四個(gè)自由度,設定為 Y 移動(dòng)副。因此確定機械手 4 個(gè)自由度,即 3 個(gè)移動(dòng)自由度,1 個(gè)手爪夾持自由度,3 個(gè)移動(dòng)副為直角坐標系下的,手爪夾持自由度為 z 軸方向上的。
3 機械手動(dòng)力學(xué)仿真模擬
使用三維繪圖軟件solidworks構建機械手幾何模型,隨后將幾何模型文件導入 ANSYS 中,設定重力加速度單位,
并將 X 絲杠設定為接地。將靜止的連接部件之間設置固定副,機械手和絲杠設置為移動(dòng)副,結合流水線(xiàn)生產(chǎn)的參數,將參數設置到移動(dòng)副中。用 step 函數對 3 個(gè)不同的移動(dòng)副進(jìn)行計算,由機械手運動(dòng)時(shí)間分配以及對速度的控制。
比較實(shí)際模型和理想模型的輸出結果,對比發(fā)現速度變量在實(shí)際情況下和理想狀態(tài)下是一樣的。但是力量和力矩變量之間具有一定的差異。針對結果的差異性分析主要原因是在模型建立的過(guò)程中對某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過(guò)驗證,誤差對模擬結果造成的影響在能夠接受的范圍內,說(shuō)明了本研究中設計得出的機械手承載能力完全滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的要求。對模型進(jìn)行理想化處理的主要原因是為了分析機械手連接器位置以及質(zhì)量是否會(huì )因為連接器的變化受到影響。本文對機械手的受力結果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,提出了一定的優(yōu)化措施,具體內容如下:
(1)通過(guò)建立新直角坐標系的方法對機械手的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真模擬,根據各重要部件的受力情況對材料進(jìn)行了優(yōu)化,并改變了機械手的運行規劃。
(2)將設計的方案與機械手的整體結構進(jìn)行了對此分析,對具體結構的優(yōu)化可行性進(jìn)行了討論并確定了零件的最終選型;對機械手在生產(chǎn)線(xiàn)中上下料的動(dòng)作進(jìn)行了仿真模擬分析;對機械手避開(kāi)危險位置進(jìn)行了仿真分析,并驗證了規避方案的可行性。
(3)在 ANSYS 下對機械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,以機械手運動(dòng)時(shí)X移動(dòng)副所受力矩為目標函數,提出模組之間安裝位置變量的 3 個(gè)參數,通過(guò)若干次試驗以最小目標力矩為實(shí)驗對象,求出實(shí)驗中的最小值對應的 3 個(gè)參數變量,通過(guò)最優(yōu)解確定安裝時(shí)模組之間的最佳安裝位置。
(4)在 ANSYS 中分析了機械手模態(tài)振型,對重要零部件進(jìn)行了應力分析,利用拓撲優(yōu)化學(xué)對零部件的選材進(jìn)行了減重優(yōu)化,在減少集中應力的基礎上,加強了精密部件的承載能力,延長(cháng)了機械手的使用周期。