薄板件冲压自动上下料机械手的设计

冲压成型是机械加工中常用的成型方式，具有生产效率高、加工速度快、成本低廉等优点，被广泛应用于汽车制造、仪表、包装等行业[1]。目前，国内大部分中小冲床生产线都是采用人工上下料，不仅效率低，劳动强度大，而且经常发生人员伤亡事故。随着机械制造技术的飞速发展，传统的人工上下料方式已不能满足生产需要，在冲压生产线上，加入机械手取代传统的人工上下料模式已成为冲压成型技术发展的重要方向[2]。设计研发自动化上下料的装置，既可以提高产品的质量和精度，也可以减少企业成本和伤亡事故，提高企业综合竞争力[3]。近年来，国内相关学者对自动化上下料装置的研究较多。魏春雨等人[4]设计了一种三个自由度的机床上下料机械手，并对机械手的运动路径进行规划及动态仿真，为机械手的结构优化提供了完备的理论数据；王佳丽[5]设计了一种专用于手机外壳生产的自动上下料机械手；郑为凑等人[6]设计了一种针对流水线的新型搬运机械手，实验数据表明，新型的搬运机械手可满足流水线的需求。基于此，针对当前中小企业冲床生产线存在的问题，本文设计了一种冲床自动上下料机械手装置，对手部端拾器的吸盘和真空发生器进行了选型和计算，并利用ANSYS Workbench软件对端拾器组件进行静力学分析和模态分析。分析结果表明，该机械手手部端拾器结构满足强度要求。该研究为整个机械手的优化设计提供了理论依据。

1 冲床自动上下料机械手总体布局方案设计

冲床的冲压模具质量通常较大，对冲压简单的零部件，单个模具就能完成，而对于冲压复杂的零部件，单凭一台冲压机床，通过更换模具的方式很难达到冲压效果，不仅费时费力，而且生产效率低。因此，本文通过设计机械手与冲床相互配合的自动化生产线达到冲压效果。自动上下料机械手与冲床位置关系如图1所示。

图1 自动上下料机械手与冲床位置关系

自动上下料机械手搬运的加工工件为薄板件，板材厚度为1～3 mm，最大搬运质量为6 kg，上下料具体流程为：机械手收到操作信号后，手臂旋转，手部靠近未加工物料存放区并吸取板材，然后手臂升高，小臂伸缩，手部旋转，调整与冲床的位置关系，将板材放入冲床的模具型腔内，机械手回到原点，待板材冲压完毕后，机械手再将板材吸取，放入已加工物料存放区，或者下一台冲床。至此，上下料流程完毕，周而复始。

图2 冲床自动上下料机械手

根据冲床自动上下料机械手与冲床的位置关系及上下料流程，机械手选用圆柱坐标式结构，并具有4个自由度：2个转动自由度和2个移动自由度。

2 机械手总体设计与关键部件选型计算

冲床自动上下料机械手如图2所示。机械手主要包括底座、腰部升降组件、机械手手臂组件和手部端拾器等部件。由图2可以看出，机械手的升降主要通过腰部移动滑台对滑轨的相对移动实现腰部的上下移动；机械手手臂的伸缩通过小臂对大臂的相对移动来实现；机械手手臂的回转主要是通过腰部的旋转关节来实现；机械手手部的回转主要是小臂的电机带动减速器，通过同步带带动旋转。这几个组件共同作用，实现了整个机械手在空间内的一系列动作，从而使机械手手部端拾器能够精确的吸取零部件，并将其放到确定位置。

2.1 机械手手部端拾器结构设计

机械手抓取的物料为正方形或长方形薄板件，表面光滑，无异物，因此，在机械手上下料时采用真空吸盘进行吸取，物料最大规格为600 mm×400 mm×3 mm，质量为5.652 kg。为方便设计，此处质量取6 kg，重力为60 N。根据物料的最大规格进行手部端拾器的设计及计算选型。机械手手部吸盘端拾器吸附板材工作示意图如图3所示。

图3 端拾器吸附板材工作示意图

2.2 真空吸盘的选型与计算

因物料重力为60 N，根据吸附力大于重力，求吸盘直径为[7-10]

(1)

式中，P为真空压力，其值一般取真空发生器最大真空度Pv的75%～95%，此处取85%，则P=85%Pv=85%×92 kPa=78.2 kPa；W为物料重力，此处取60 N；n为吸盘个数，取4个；T为安全系数，一般取4～6，此处取6。经过计算得吸盘直径D=29.8 mm，因此，本文选用上海浮来迪自动化有限公司生产的PF系列真空吸盘，规格型号为PFTK-30，直径为30 mm。

2.3 真空发生器的选型与计算

以PF系列的真空发生器为设计样本，吸盘最大真空度为Pv=92 kPa，高压空气被吸入时的平均流量为

(2)

式中，V表示真空发生器与吸盘连接的管道容积；T表示时间，T=1 s。

选用内径为8 mm，长度为0.5 m的吸盘软管，两个吸盘共用一个真空发生器，其体积为

(3)

因此，平均流量为

(4)

则最大流量为

Qe=3Q=3×1.35=4.05 L/min

(5)

根据气体的最大吸入量，选用台湾BOKA生产的CV系列喷射式真空发生器，型号为CV.10.HS，喷嘴直径为1.0 mm，空气吸入量为27 L/min，空气消耗量44 L/min。

3 机械手手部端拾器静力学分析

由于机械手手部端拾器是整个机械手最关键的零部件，因此对端拾器进行静力学分析，分析应力、应变，有助于进一步优化结构[11-12]。利用ANSYS workbench中的Static Structual模块对机械手手部端拾器进行静力学分析。

图4 机械手手部端拾器有限元网格划分模型

首先对模型进行简化，对整体结构影响不大的倒角、圆角、螺栓孔等忽略，然后将PRO/E修改好的模型保存为igs格式，最后将三维模型导入ANSYS Workbench中，构建有限元模型，除吸盘材料选用橡胶外，其余部件材料选用Stainless Steel，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，采用自由网格划分，共含有18 045个节点和9 514个单元。机械手手部端拾器有限元网格划分模型如图4所示。

端拾器组件与机械手手部末端的圆面采用固定连接，外部载荷在每个吸盘的末端加载15 N的力，共计60 N，另外整体施加重力加速度9.8 m/s2，方向竖直向下。所有的力和约束设置完成后，选择Slove求解，得到的应力及应变云图如图5和图6所示。由图5和图6可以看出，最大应力为5 MPa，发生在端拾器支架与机械手手部连接块的端部，远远小于不锈钢的抗拉强度；最大位移也发生在端拾器支架与机械手手部连接块的端部，最大位移量为2.99×10-5mm，位移量对整个结果几乎无影响。由上述可知，端拾器组件的设计满足强度使用要求。

图5 端拾器应力云图

图6 端拾器应变云图

4 机械手手部端拾器模态分析

手部端拾器作为直接与板材接触的重要部件，如果发生共振，将会对机械手的性能产生重大影响，因此，模态分析在机械设计中具有重要作用。利用ANSYS Workbench中的Modal模块对端拾器组件进行模态分析，理论分析表明，低阶频率振型易产生安全隐患[13]。对产品进行模态振动分析是新产品研制中不可缺少的重要步骤[14-15]。因此，只对端拾器组件前6阶进行模态分析。手部端拾器第1阶到第6阶的固有频率和固有振型如图7所示。

图7 手部端拾器第1阶到第6阶的固有频率和固有振型

固有频率和振型是机械结构的固有特征，而低阶固有频率，尤其是第1阶固有频率决定了结构的刚度，第1阶固有频率越高，模态刚度越好[16-17]。端拾器组件前6阶模态分析结果如表1所示，通过模态分析可以求得零部件的固有振型和固有频率，在进行电机选型时，要尽量避开零部件的低阶频率，以免发生共振[18-20]。

表1 端拾器组件前6阶模态分析结果

5 结束语

本文主要设计和分析了薄板件冲压自动上下料机械手，该设计具有一定的应用前景。该设计给出了三维装配图，并对手部端拾器的吸盘和真空发生器进行了选型和计算，利用ANSYS Workbench对机械手关键零部件手部端拾器进行了静力学分析和模态分析，得到了手部端拾器应力云图和应变云图，从应力应变云图可以看出，应力和应变都很小，满足设计要求。通过模态分析,得到了手部端拾器的前6阶固有振型。该研究为整个机械手的优化设计提供了参考依据。