冲床卸料机械手的结构设计与有限元仿真

胡传松

(合肥通用职业技术学院 机械工程系，合肥 230031)

冲压工艺是材料成型加工中的重要方法，现代工业的进步要求冲压加工向着高速、高精度和高可靠性方向发展.传统的人工上下料方式已不能满足现代冲压工艺的需求，迫切需要采用自动化装置来解决这一问题[1].随着工业机器人的快速发展，工业机械手在机械制造领域被广泛应用.相对于传统的人工上下料而言，机械手上下料具有高精度、高效率、高自动化以及低成本等优点[2-3].因此，采用机械手实现自动化上下料，成为了目前冲压物料输运自动化的发展趋势之一[4].在冲压工程中，工件从模具中卸料时易出现不能安全稳定卸下的问题.因此，本文拟设计一款冲床自动卸料机械手，使得工件能安全可靠的出料，从而使得冲床具备高度可靠性、强抗干扰能力和较高工作效率.

1 冲压卸料机械手生产条件

本文所设计的自动卸料机械手主要为配合45T冲床使用，通过机械手上的机座部分连接固定到冲床工作台上.结合生产车间特定的生产条件，对卸料机械手进行位置调节.卸料机械手生产工艺条件如表1所示.卸料机械手的工作位置如图1所示.

表1 卸料机械手生产条件

图1 卸料机械手工作位置图

图2 执行结构的组成

如图1所示，卸料手手臂的初始位置位于左侧或者右侧的自动卸料带上方.假设选定左侧卸料带上方为初始位置，卸料手工作顺序为：冲床冲头压下(卸料手开始向冲床方向运动)，冲头抬升至上死点位置(同时卸料手进入卸料状态，电磁吸盘吸取工件)，冲床卸料手向右侧继续运作，放下工件至右侧的卸料带上，冲床进行第二次加工工件.至此,一个完整的卸料过程结束.45T冲床自动卸料机械手的旋转参数为左右各30°.

2 机械手结构设计

2.1 总体方案设计

卸料机械手的总体结构包括执行机构、驱动机构、控制系统以及位置检测装置等[5].由图1所示的工作位置图可知，卸料机械手只需要一个固定回转运动.因此，在结构设计时只需要设计一个回转运动机构就可以了，不仅提高了卸料机械手的工作精度，也简化了结构.卸料机械手的执行结构组成如图2所示，主要包括：机座、立柱、手臂、手部、回转机构等.本文主要对回转机构、手臂及手部结构进行设计与计算.

2.2 回转机构设计

2.2.1 齿轮结构设计

由于自动卸料机械手的驱动方式选用的是气压驱动，因此，在设计时需要同时考虑气缸的直线运动和机械手的回转运动，综合考虑之后选择齿轮齿条传动.在结构设计时为了保证机械手结构紧凑，将气缸和齿条装配成一体式，由气缸活塞带动齿条进行来回移动，从而实现齿轮的左右转动，同时将齿轮轴也设计成一体式，有利于装配.齿轮齿条回转结构如图3所示.

2.2.2 齿轮齿条的速度计算

齿轮轴带动卸料机械手的手部和手臂实现回转运动，故手臂回转60°即齿轮轴转动60°.齿轮条的直线运动是通过气缸活塞杆带动的，下面对齿条对应的移动距离进行计算.

2.3 冲床卸料手手部的设计

由于所选取的工件材料是镍钢片，故可以采用电磁吸盘吸取的方式进行卸料.电磁吸盘采用电磁原理，吸盘内部安装的线圈通电后会产生磁力，吸取工件；线圈断电即实现放料.相比于负压式吸盘，电磁吸盘结构简单，使用方便，通电后即能进行工作，同时，在工作过程中不需要完全接触工件，可以预留一段距离进行吸取工件，更加安全.吸盘结构如图4所示.

图3 齿轮齿条回转机构

图4 吸盘结构图

2.4 机械手手臂的设计

机械手的手臂在卸料过程中只需要跟着齿轮轴转动即可，在结构设计时要求使机械手能稳定可靠地进行抓取工件，需要满足强度和刚度方面的需求，因此采用优质碳素Q235钢杆件，通过螺栓和螺母实现长度方向上的调节，结构如图5所示.

经过设计，卸料机械手的总体结构如图6所示.

图5 机械手手臂总图

图6 总体结构图

3 机械手运动部件有限元分析

3.1 静力学分析

机械手在上下料过程中，在手部上承受了工件的重量，因此在进行力学分析时，需要同时考虑工件重量和机械手自重的影响[6].在吸料过程中，镍钢片的自重为5 N，即作用于卸料机械手手部的力为5 N.利用Solidworks中的仿真插件对机械手进行了力学仿真，采用四面体网格，网格图形如图7所示.力学分析结果如图8和图9所示.

图7 机械手有限元网格图

图8 位移计算结果图

图9 应变计算结果图

图10 应力计算结果图

如图8所示，卸料机械手的手臂在受5 N的力时，所产生的最大的变形位移是0.293 mm，相对于整体机械手而言几乎可以忽略不计.因此可以认为，机械手在抓取镍钢片时，变形很小，故能够进行安全稳定高效的卸料工作.图10为机械手手臂在抓取工件时的应力分布，可以看出，最大的应力是5.362 MPa，而所选用材料为Q235B，抗拉强度为460 MPa，远大于工作时的最大应力，所以机械手能够进行稳定安全的卸料工作.综上所述，卸料机械手的手臂在强度和刚度上符合工作要求.

3.2 模态分析

机械手在卸料过程中，采用气压启动回转，动作频率较高，同时机械手采用的是悬臂结构，在运动时需要考虑振动的影响.为保证机械手在卸料过程中能稳定可靠的工作，需要对其振动频率进行分析，即模态分析.根据计算，各阶振型如图11所示，模态频率如表2所示.

表2 各阶频率表

如图11所示，1阶振型和2阶振型均为弯曲振型，最大振幅为0.79 mm，3阶和4阶为弯扭振型，最大振幅为0.84 mm，5阶振型主要表现为扭转，最大振幅为1.24 mm，满足冲压卸料使用要求.同时可知，吸盘处和齿轮轴与手臂的结合处为机械手的危险部位.根据模态分析结果可知，该机械手结构满足使用要求.

a)1阶振型与幅值 b)2阶振型与幅值 c)3阶振型与幅值

d)4阶振型与幅值 e)5阶振型与幅值

4 结语

本文设计了一款冲床自动卸料机械手，采用圆柱坐标系进行建模，具有一个转动自由度，结构可靠，操作简便，生产效率较高，控制系统简易.对卸料机械手的各个部件进行了设计，包括手臂，吸盘，齿轮回转机构等，进行了结构造型，并采用有限元方法进行了力学分析，结果表明结构满足强度要求.在结构设计的基础上，对机械手的关键运动部件进行了模态分析，结果表明该机械手的振型主要表现为弯曲和扭转，振幅满足使用要求.该机械手可应用于冲床生产中，可以提高生产效率，减轻工人劳动强度.