热冲压生产线多层箱式炉机械手的结构设计与运动优化

苏志同

（青岛科捷机器人有限公司，山东 青岛 266000）

高强钢板热冲压成形（hot stamping 或Press hardening）技术的最大特点就是精度高、强度高、质量轻。面对全球的能源危机和环境压力，汽车工业节能减排已经成为不可阻挡的趋势。采用高强度钢板热成形技术制造汽车零部件，既可以减轻车身重量又可以提高安全性，是同时实现车体轻量化和提高碰撞安全性最佳的方法。

为保证热成形冲压件具有较好的冲压质量，成形前钢板的温度需要保证在约780℃以上，因此时间上要求加热的钢板在运送至压力机上冲压之前，完全暴露在空气中的时间要尽量缩短，一方面尽量减少空气对加热钢板的氧化作用，另一方面提高生产效率。材料实测表明，板料从900 ～950℃开始冷却到780℃左右时，所用时间仅为6 ～8s。

采用工业机械手较为常见的直角坐标机械手，它具有在三维空间中运动精度和可靠性高，特别是直线输送速度高等优点。由于生产线具备直线输送的完全路径，因此，直角坐标机械手是实现热成形生产线冷热坯料输送系统的合理选择。

1 机械手的结构及运动分析

1.1 双倍节速原理

热成形工艺是高强钢板热冲压成形-保压冷却相变的成形控制技术，热冲压成形生产线也比常规的冷冲压成形生产线更为复杂。在热成形生产线中，由于板料薄，表面积大，因此输送中坯料极易冷却降温。而热成形工艺对初始成形温度要求很严格，这就要求从加热炉取出热坯料后要快速输送到压力机的模具上，对输送机械手的快速性和运动稳定性要求较高。例如在2 ～3s 输送距离内，要求1 ～1.5s 完成输送，这就要求机械手的输送速度达到2m/s。

1.2 结构优化设计

本研究中采用的电机型号为HG-SR152J，2000r/min。双倍节速的结构设计是将运动节设计成两部分，让伺服电机驱动一节沿固定方向运动（图1），另一节随之以双倍的速度做同向运动（图2）。双倍节速的结构设计不仅提高了机械手末端的运动速度，缩短了输送时间，而且还节省了运动空间，同时又提高了运动结构的刚性，对于轻质、高速的输送具有很好的应用效果。本研究中双倍节速运动机构的运动距离为2.4m，设计运动速度可以达到2m/s。

图1 伺服电机传动控制原理图

由动力学通用方程及电机特性曲线可知，在位移x 一定的情况下，不考虑改变阻尼和刚度系数的影响，减轻负载（即机械手）质量M 能达到更快的速度，对提高机械手输送速度有很好的效果。本研究中通过材料优化及结构优化来减轻机械手的整体质量。

图2 双倍节结构原理图

电机通过齿轮齿条驱动运动节1 沿x 方向运动，双倍节速的结构设计带动运动节2 及机械手末端也沿x 方向运动。运动节1 质量约140kg，运动节2 及机械手末端质量约200kg。按额定机械手末端行程2.4m，对此机械手进行动力学分析，当机械手的运动质量从100%减轻到额定质量70%的条件下，运动时间为1.2Sec，加速度为5m/s2,电机扭矩从1383 降低为968N·m，比原质量条件下，降低了7.9%，扭矩幅值降低了约30%。对运动部件进行30%轻量化后，同样的运动时间。这样更容易实现目标要求的快速性技术指标。同时，降低电机扭矩，节省能源。

1.3 稳定性分析

输送机械手在骤起或骤停的时候，会由于运动惯性偏离正常的运动轨迹，发生偏移和晃动的情况。输送机械手运动稳定性主要指机械手在骤起或骤停的情况下能否快速回归到正常运动轨迹，保证运动轨迹精度而不影响正常的作业。为验证机械手的运动快速与稳定性，采用激光跟踪仪进行了动态测试。实测经过结构优化的多层箱式炉上下料机械手，在工作空间中五个不同作业高度的进出炉方向稳定性精度见表1。可见随着Z 轴的升高，达到第五层高度时，其振动频率达到2.8 ～2.98Hz，振幅为±0.336mm；当Z 轴降低到最低高度时，振动频率达到4.5Hz，振幅为±0.075mm。

测试数据表明，X 轴运动行程2.4m，运动轨迹最大误差不超过0.03%，说明本研究中结构优化的输送机械手稳定性能够满足工作要求。

2 结语

在热成形生产过程中，对机械手群进行结构优化和协同工作策略设计，实现了热成形板料快速、平稳的输送，提高了生产效率。双倍节速的结构优化节省工作空间，同时保证2m/s 以上的稳定输送速度。结构优化减轻机械手质量，从而降低电机的驱动扭矩，机械手能更快的达到设定的高速。多机械手协同工作使各机械手工作时间上并行，空间上互不干涉，生产效率提高了143%，热料输送完成仅需7s，充分利用时间、空间来高效完成热成形生产。

表1 稳定性测试数据