平板玻璃上下片机械手执行机构结构设计
2021-03-31华明明王文成石岩张铁壁
华明明 王文成 石岩 张铁壁
1、河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心 2、沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心3、河北科技师范学院 4、河北水利电力学院
引言
工业机械手现已广泛应用在汽车、电子、半导体等行业的生产线上,已经成为自动化生产线上的重要组成部分[1,2]。机械手在生产线上有显著的优势,然而机械手在玻璃行业的应用较少,磨边机的生产线自动化程度低,使用人工加工上下片玻璃,生产效率低,危险较高[3,4]。本论文设计的机械手可以自动完成上下料任务,快速定位,自动检测,与磨边机的对接方便稳定,提高了磨边机的工作效率,代替人工,降低成本。
1 整体布局结构设计
根据平板玻璃输送的工况要求,设计的机械手自动上下玻璃系统总体布局方案如图1 所示,其主要由执行机构(抓取机构和翻转机构)、平移机构、传送机构、底架四部分组成。机械手的工作流程如下:抓取机构通过吸盘真空抓取待加工玻璃,然后经过平移、翻转动作把待加工玻璃放到传送机构上,传送机构把玻璃准确送到磨边机进行加工,加工完成的玻璃经过传送机构、平移机构、执行机构放到指定位置。
图1 总体布局方案示意图
2 执行机构的结构设计
执行机构作为机械手的重要组成部分,是机械手完成指定动作的关键。机械手工作过程中,执行机构完成平移、翻转、抓取玻璃动作,最后放到传送机构上。执行机构结构图如图2 所示,其主要由大臂、小臂、翻转架、轴承法兰、轴、鱼眼接头、吸盘、真空发生器、双层吸盘架组成。
图2 执行机构结构图
3 基于Solidworks/Motion 的执行机构动力学分析
3.1 仿真模型创建
执行机构中形成的四杆机构是机械手的重要零部件,通过三维建模,并用Solidworks Motion 插件分析运动过程中四杆机构各支点的反作用力。首先对三维模型进行简化,对各个零件进行材料指定,在大臂处添加旋转马达,使用数据点定义马达,旋转角度随时间变化,0 秒到3 秒翻转升,3 秒到6 秒翻转降,然后添加竖直向下的引力,在吸盘架处添加竖直向下1000N 的力,均匀分布在吸盘架的表面,设定运动的时间为6s,从吸玻璃到放玻璃,即翻转的整个过程,进行求解,得到四杆机构各支点的反作用力随时间变化的曲线,如图3 所示。
图3 各支点反作用力随时间变化曲线
3.2 受力最大时大臂应力仿真分析
通过对四杆机构各支点作用力和执行机构的结构分析,可以得知在3 秒时,机构受力最大,大臂是整体薄弱的零部件,使用刚柔耦合分析的方法,分析大臂在2.99 秒到3.01 秒运动过程所受到的应力、位移变化,应力和位移云图如图4 及图5 所示。
图4 应力云图
图5 位移云图
3.3 仿真结果分析
3 秒时,该执行机构和玻璃垂直于地面,此时四杆机构受力最大,分析该位置时大臂处应力云图可以得到,最大应力分布在大臂与轴和大臂与小臂铰接处,为1.308×108N/m2,使用的材料为普通碳钢,其最大屈服力为2.206×108N/m2,结构强度设计满足要求,由位移云图可得,最大变形量为1.95mm,对整个大臂结构几乎没有影响,所以设计符合要求。
4 结论
设计了机械手结构并对其执行机构进行了动力学分析,结果表明,设计的机械手执行机构动作符合要求,通过仿真分析,执行机构处于3 秒时,其各部件受力最大,其中大臂受力最大,使用刚柔耦合分析的方法,得出大臂的应力云图,数据表明,结构符合设计要求。