玻璃生产线上机械手堆垛机静动态特性与优化研究

摘 要：玻璃产业是我国最为重要的产业之一，同时也是平板玻璃最大的生产国家。基于此，本文从静态特性与动态特性这两方面来分析玻璃生产线上所使用的机械手堆垛机，并提出相对应的优化对策，希望能为提升玻璃生产效率和质量提供有效建议。

关键词：玻璃生产线;机械手堆垛机;静态特性;动态特性

机械手堆垛机适用应各行业领域中，具有应用广泛性的特征，因有着较好的平衡性，在玻璃生产线上进行使用，不仅能够提升生产效率，也能减轻工作人员工作量。通过从静态与动态这两方面的特性来分析机械手堆垛机，如何发挥机械手堆垛机在玻璃生产线上的实际效用，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1. 机械手堆垛机静态特性

有限元法是分析机械手堆垛机静态特性的主要应用方式，通过分析该设备的受力情况和变形状况，在此基础上来考量机械手堆垛机的强度与承受度是否能够满足玻璃生产线需求，机械手堆垛机具备良好的静态性能是提升该设备动态性能的关键。

1.1有限元法基本内容

随着计算机技术不断发展和进步，使得有限元法得到了广泛的应用和发展，通过对连续性的物体采取有限次的分割，结合相应的力学知识与几何知识对分割后的小块进行分析，并对分析完成后的小块结果进行累计求和，代替连续物体结果。以下通过对玻璃材料的均匀性与线性进行假设，借助力学知识，来重点分析机械手堆垛机静态特性。

有限元法具体分析过程如下：第一，结构的离散化。把结构划分成有限个小型单元体，并将单元、边界等元素利用节点进行连接，此过程为结构离散化[1]。小块结果与单位划分的形状和大小有着一定影响，换句话说，越小的单元，其形状也就越复杂，而单元结果与实际变形情况也会越接近，但相对应的也会增加整个单元体结构的运算量。

第二， 等效节点应力，当物体的结构离散化后，节点与各单元的联系是十分密切的，所以计算机械手堆垛机静态特性的力也是节点上的力。因实际中物体是连续的，物体的任何位置都可以产生力作用，所以力在物体上的传递也呈现连续性，通过将作用于物体上的力等效平移在节点上，其为等效节点应力。每个单位位移后，有限元法把离散化后单元小块进行节点连接来还原成原有的物体结构，经过一系列计算，来解出整体的节点位移量。

1.2模型简化

采取有限元法时，因运算量较大，相对应需要保存的数据也很多，为了提升分析结果的精准性，对所分析的对象进行综合的考虑，对模型进行简化，以此来提高建模效率和运算速度[1]。机械手堆垛机静态特性分析主要从大臂、小臂以及基座等几个关键的构件着手，模型具体简化内容如下：一是，因零件的圆角、倒角以及沟槽等连接点对机械手堆垛机强度影响较小，可以进行忽略，由于分析软件的特性，对机械手堆垛机装有轴承的轴去掉，简化为阶梯轴，在一定程度上可以避免后续机械手堆垛机静态特性分析结果出现偏差;二是，铝合金型材料是机械手吸盘架中许多小零件的主要制成材料，无法利用有限元法采取网格划分，通过考虑机械手堆垛机强度问题，将这一部分有矩形管替代。简化后的机械手堆垛机模型参考图1。

1.3静态结果分析

通过对简化后的模型进行导入，并对以导入的模型采取以一系列的计算工序来对机械手堆垛机在整体结构上的受力情况进行分析，在此基础上寻找出该设备的薄弱点。在此过程中，对机械手堆垛机工作时变形最大、力矩最大以及最危险的位置进行重点分析，可以发现该设备在搬运玻璃时，机械手堆垛机的大臂、小臂仍停留在原有的水平位置，并没有发生变化，但整体重心却向前移动，所产生的力矩也最大，与此同时，机械手堆垛机所抓起的玻璃距离设备底座越远，其力矩的产生也就越大，也就表明此时机械手堆垛机受力所产生的力矩与变形都呈现最大化，该状态为机械手堆垛机的极限工作状态，工作时具有一定的危险性。因此，玻璃生产线上机械手堆垛机的设计，以及各关节结构部件制成材料的选择应符合玻璃生产所需的强度，调整机械手底座所承受的最大变形量，以此来缓冲物体作用力。

2. 机械手堆垛机动态特性

2.1动态分析基本内容

振动是机械设备运行过程中无可避免的问题，振动幅度与振动频率过高对机械设备正常的运行有着一定影响，减少机械设备的振动，在一定程度能够确保各类型生产工作顺利且安全的进行[2]。借助模态分析来对机械手堆垛机的工作频率与原有的运行频率进行动态特性比对，在实际操作的过程中，要求机械手堆垛机抓取玻璃板后，抓取玻璃板的速度应维持平稳状态，无明显冲击;分析结果表明，机械手堆垛机在抓取玻璃板后，由于在工业机器人的带动下，机械手吸盘出现了加速变化，虽然所增加的幅度不大，但频率较高，尤其是以吸盘架摆动为主的机械手堆垛机。

2.2动态结果分析

玻璃生产线上的机械手堆垛机由两个结构主体构成，分别是工业机器人和机械手吸盘，前者负责运动，后者负责抓取，经过一系列的计算和分析，机械手堆垛机动态主要包括该机械设备的工作空间，空间的规划与配置对实际运用中的机械手堆垛机有一定影响，在安装机械手堆垛机底座时，需要充分考虑该设备所能达到的工作空间，合理规划玻璃生产线上的布置，对于后期机械手堆垛机的控制以及工作路径规划有着关键性的作用。

3. 针对玻璃生产线上的机械手堆垛机优化对策

3.1关键零部件优化

通过分析可知，现阶段所采用的机械手堆垛机仍存在许多不足，设备底座受力不强，在工作时，一旦所搬运的物体重量超过设备承载，会导致整个零部件发生损坏，进而影响使用。因此，对该设备的关键零部件进行优化，比如小臂，机械手堆垛机所有的受力都在小臂上，既要承担承重作用，也要对其负载，机械手堆垛机小臂的优化要从强度、承重以及负载等方面入手，对原有小臂的壁厚加大，减少变形，提升承重能力。

3.2玻璃生产线上机械手堆垛机的具体使用类型

通过对上述分析，铝合金材料所制成的结构具有较强的强度，完全符合玻璃生产需求，其安全性也相对较高，所以可对这一型号材料制成的机械手堆垛机进行考虑，但机械手堆垛机工作时间不易过高，而现下玻璃生产速度越来越快，缩减堆板周期是关键，周期缩减相对应的机械手堆垛机振动频率与幅度也就越高，因此，玻璃实际生产的过程中，可考虑多台机械手堆垛机协调工作，减少每台设备工作频率，既能提升工作效率，也能保障玻璃生产安全。

随着科学技术不断发展和进步，相信各类机械手堆垛机制造工艺与玻璃生产技术也会越来越成熟，不断完善机械手堆垛机功能，并提高玻璃生产技术水平，强化机械手堆垛机在玻璃生产中的应用效果，提升玻璃堆垛效率和最终玻璃成品质量，能够有效降低玻璃生产成本投入的同时，也能为操作人员提供安全保障，从而确保我国玻璃制造业未来可持续的发展。

结束语：综上所述，通過对上述机械手堆垛机静动态特性的全面分析，利用先进的科学技术来进一步完善与升级机械手堆垛机各项功能，能够有效促进我国玻璃生产现代化、机械化方向发展的同时，也能为推动我国玻璃产业可持续的发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]李晓波.堆垛机故障预测与维修决策技术研究[D].机械科学研究总院，2020.

[2]岳森峰，张尊敬，孙必超.堆垛机动态参数设定与出入库效率的匹配[J].起重运输机械，2020（06）：46-50.

作者简介：刘勇（1981— ），男，汉族，安徽宿州人，本科，工程师

研究方向：浮法玻璃自动化堆垛设备

（中建材（蚌埠）光电材料有限公司    安徽  蚌埠   234300）