螺柱焊零件上料機械手結構設計與分析

陳傳旺,周光吉,韓世偉,郭峻松,殷 勤

(1.重慶理工大學 機械工程學院,重慶 400000;2.重慶鐵馬工業集團有限公司,重慶 400000)

1 引 言

螺柱焊是用螺柱端頭和焊件表面之間引燃的電弧加熱并融化結合部位,經快速擠壓而形成焊接接頭的一種電弧焊接方法[1],是各類軍用車體焊接工藝中非常重要的焊接方式[2],焊接所使用的核心部件螺柱-延長桿裝配體能否高效快速供應是影響螺柱焊生產效率的關鍵因素之一。通過調研發現,目前在螺柱焊實際裝配工藝過程中,仍然依靠技術人員在幾十種規格零件中人工尋找匹配的延長桿與螺柱,進行手動上料和裝配來組成裝配體,存在工人勞動強度大、上料及裝配效率低、相似規格零件裝配僅憑肉眼分辨出錯率高、無法保證裝配扭矩一致等問題,進而影響螺柱焊焊接點剛度和焊接質量,以及車體附件的連接剛度和性能[3]。

對此,很多學者進行了相關研究。文獻[4]設計了一種汽車沖壓自動送料機械手,通過對機械手進行運動學分析及關鍵零部件校核,實現了沖壓過程穩定高效上料。文獻[5]設計了一種四爪柔性搬運機構,并通過建立動力學模型計算得到最佳夾持力,優化后使得作業效率達到同類型機械手的1.72倍,大大提高了生產效率。文獻[6]設計了一套輔助搬運機械手,通過對生產線整體節拍進行優化設計,大大降低了機械手對大型板材抓取和位姿調整的操作難度。文獻[7]設計了一種四自由度桌面機械臂,通過有限元分析并進行結構優化,優化后整體結構運行過程更加平穩,質量分布更加合理。文獻[8]設計了一種銘牌自動上料機,結合升降機等結構與控制系統實現了多規格銘牌上下料自動化,大大降低了生產成本。文獻[9]基于D-H方程建立了機械手動力學方程,并用ADAMS軟件對機械手整體進行了動力學分析并進行了優化,大大提高了安全閥離線上料效率。文獻[10]設計了一款板材拆垛自動上料裝置,通過改進抓取及分離機構,實現了拆垛自動上料自動安全平穩運行。文獻[11]設計了一款直角坐標上料機械手,通過結構分析完成對關鍵部位的優化與驗證,提高了生產效率,降低了生產成本。文獻[12]借助Ansys Workbench建立動力學模型對牙刷頭上料過程進行了仿真分析,并進行結構改進,改進后牙刷上料及裝配成功率大大提高。文獻[13]以戶外椅的連桿為對象設計了自動上料裝置,并進行了連接桿的運動仿真,實現了連接桿進入儲料箱姿態的一致整齊。上述機構是否能應用于多規格螺柱類零件的高效穩定上料,這有待確定,因此,研制一套應用于螺柱焊裝配過程中的自動化上料機械手是實現高效穩定上料的關鍵。

對此,綜合考慮上料夾取對象螺柱焊零件的結構特點及最優上料路徑,設計一種用于多規格螺柱焊零件自動化上料的多自由度上料機械手結構,代替人工進行識別、分揀與上料操作?；谔摂M樣機技術構建結構的三維模型,并裝配成完整的上料機械手系統。利用ANSYS Workbench對機械手關鍵承載部件進行靜力學分析,確定結構的強度和剛度,同時對機械手整機進行模態分析,驗證機械手的運動性能和結構穩定性。

2 上料機械手結構設計

在進行裝配系統設計過程中,選用豎直方向三爪卡盤與伺服擰緊軸進行裝配動作,由于中部擰緊軸部分只能在豎直方向移動,故將延長桿與附座上料機械手分別設置在零件裝配系統的左右兩側,分別從左右兩個方向進行上料。裝配系統整體結構示意圖如圖1所示。

1.伺服擰緊軸;2.延長桿上料機械手;3.三爪卡盤;4.延長桿上料振動盤;5.螺柱上料振動盤;6.螺柱上料機械手

為節省上料裝配時間,提高運行效率,設置延長桿與螺柱同時上料且上料時間保持一致。因延長桿與螺柱均為圓桿件,因此兩種零件的整列及機械手夾取方式均采用振動盤整列送料、機械手夾取上料的工作方式,左右兩側的上料運動軌跡保持對稱。機械手機構運動原理圖如圖2所示。機械手在1處沿Z軸方向做豎直升降運動,實現達到夾取點;在2處繞Z軸做旋轉運動,實現將零件送料至夾緊機構處;在3處沿X軸做水平平移運動,實現將零件與夾緊機構對心;在4處繞Y軸做翻轉運動,將夾持零件由水平位姿轉換為豎直位姿;在5處繞Z軸做旋轉運動,便于更改零件上料方向。由圖2可知,延長桿與螺柱上料機械手均為5自由度(3個旋轉運動副與2個直線運動副)。

圖2 上料機械手運動原理簡圖

根據生產實地調研可知,延長桿(如圖3左所示)零件的尺寸范圍為Φ10mm×43mm～Φ14mm×78mm,配套螺柱(如圖3右所示)零件的尺寸范圍為Φ12mm×15mm～Φ24mm×55mm,最大質量為400g,最小質量為20g。螺柱尺寸如表1所示,延長桿尺寸如表2所示。

表1 螺柱零件尺寸

表2 延長桿零件尺寸

圖3 延長桿與螺柱實物圖

上料過程中,單工位裝配系統結構決定了機械手單次上料只能夾持一個零件,據此結合運動原理簡圖對各機構部件進行選型。圖2中,1處升降運動采用豎直安裝的滾珠絲杠模組實現滑塊的升降運動,并使用導軌滑塊作為導向和支撐零部件;2處旋轉采用蝸輪蝸桿旋轉平臺,并通過直角板與豎直滾珠絲杠模組進行連接;3處水平移動采用小型滾珠絲杠模組實現,并通過工字梁與旋轉平臺進行連接;4處豎直翻轉選用側姿90°翻轉氣缸,通過連接板與水平滾珠絲杠模組滑塊進行連接;5處采用180°葉片旋轉氣缸,并連接側姿翻轉氣缸與端夾器。具體選型參數如表3所示。

表3 各部件名稱及關鍵參數

根據機械手運動原理簡圖與選型部件參數型號,基于虛擬樣機技術,利用SolidWorks對上料機械手的各個零部件進行三維模型構建,并在此基礎上根據各關節自由度設置進行合理裝配,形成最終機械手三維結構,如圖4所示。

1.豎直滾珠絲杠;2.上直角板;3.下直角板;4.旋轉平臺;5.工字梁;6.水平滾珠絲杠模組;7.側姿翻轉氣缸;8.旋轉氣缸;9.端夾器

零件上料時,通過豎直滾珠絲杠滑臺下降到達夾取平面,水平滾珠絲杠調節端夾器至合適夾取位置后進行夾取,隨后豎直滾珠絲杠滑臺上升并根據零件類型進行自主旋轉并翻轉,通過旋轉平臺與水平滾珠絲杠滑臺實現零件與夾緊機構對心后,豎直滾珠絲杠滑臺將零件送入夾緊結構進行夾緊后退出裝配工位。

3 關鍵零部件靜力學分析

為驗證機械手結構在實際應用中的安全可靠性,利用ANSYS有限元分析軟件對結構關鍵零部件進行靜力學分析,根據結構分析受力情況設置邊界條件,計算在設定載荷作用下,結構的靜力學變形與應力集中情況,以此驗證上述結構是否符合設計要求,最終達到平穩安全運行的效果。

將機械手的整體三維模型導入到有限元軟件之前,需要在分析目的以及計算機性能匹配的前提下簡化模型[14],將不必要的倒角、圓孔、凸起等不影響結構性能的細小結構進行簡化,簡化后結構如圖5所示。

1.豎直滾珠絲杠;2.上直角板;3.下直角板;4.旋轉平臺;5.工字梁;6.水平滾珠絲杠模組;7.側姿翻轉氣缸;8.旋轉氣缸;9.端夾器

3.1 工字梁靜力學分析

通過對上料機械手的整體結構進行分析可知,工字梁作為連接水平滾珠絲杠與旋轉平臺的懸臂梁,其受力情況最為復雜,負載較大,因此選取此零件作為靜力學分析對象。工字梁的材料為6063鋁合金,其材料特性參數見表4,其屈服應力為90MPa,安全系數取1.5,許用應力為60MPa。劃分網格對象選擇整個物體,網格的尺寸定為1mm,劃分結束后共167152個節點和97630個單元。對工字梁內圓環表面添加約束,通過靜力學計算分析得到工字梁懸伸端與水平滾珠絲杠滑臺連接處產生的力和力矩分別為82.3N和5.62N·m,添加負載后進行求解計算。

表4 6063鋁合金材料屬性

圖6為工字梁應力云圖,應力主要集中在工字處,最大應力為38.326MPa,仿真結果未超過材料最大許用應力,而工字梁其余部位應力均遠小于此處,因此結構安全。分析其原因是工字梁一端固定約束、一端集中受力,受力部位均位于懸伸端最遠點,因此最大應力集中在約束端直徑變化最大處。

圖6 工字梁應力云圖

圖7為工字梁總應變云圖,最大變形發生在工字梁懸伸端下表面的邊緣處,在最危險情況下,懸伸端最大變形量約為0.1889mm,且由懸伸端向約束端變形值越來越小,所以應變滿足需求。結合應力云圖與總應變云圖,可知工字梁的強度和剛度滿足需求。

圖7 工字梁總應變云圖

3.2 旋轉平臺下直角板靜力學分析

上料機械手的下直角板作為旋轉平臺的主要支撐部件,其負載較大,因此選取下直角板進行靜力學分析。下直角板的材料為Q235碳素結構鋼,其材料特性參數見表5,其屈服應力為235MPa,安全系數取1.5,許用應力為160MPa。劃分網格對象選擇整個物體,網格的尺寸定為1mm,劃分結束后共242630節點和138964個單元。對下直角板側邊的4個通孔施加固定,通過靜力學計算分析可知,下直角板所受負載為120N,添加負載后進行求解計算。

表5 Q235材料屬性

圖8為下直角板應力云圖,應力主要集中在下直角板直角附近,最大應力點在靠近直角的固定孔下邊緣處,最大應力為55.798MPa,其余部位應力均小于此處。仿真所得最大應力未超過最大許用應力,所以結構滿足要求。

圖8 下直角板應力云圖

圖9為下直角板總應變云圖,最大變形發生在下直角板水平面末端中心處,在最危險情況下,最大變形量約為0.2885mm,且由末端邊緣向直角處變形越來越小,所以應變滿足要求。結合應力云圖與總應變云圖,可知下直角板的強度和剛度滿足需求。

圖9 下直角板總應變云圖

4 整機結構模態分析

4.1 模態分析理論

模態分析是指計算結構動態性能數值的過程,固有頻率及其所產生的振型是描述動態性能的兩個重要參量[15]。振動分析涉及上料機械手的動態特性,當機械手頻率接近其固有頻率時就會發生共振,通過模態分析計算合理選擇電機速度區間以避免其在共振頻率下工作[16,17]。

根據無阻尼模態分析求解計算其特征值,建立機構運動的矩陣方程來描述其動力學問題,則:

(1)

將結構做簡諧自由振動的正弦位移函數代入式(1)中可得:

([K]-ω2[M]){x}={0}

(2)

4.2 網格劃分

為更加全面地了解上料機械手整體模態情況[18],取翻轉氣缸豎直位姿典型姿態進行模態分析,將三維模型進行簡化后導入ANSYS Workbench,劃分網格方式選為自動劃分網格,網絡劃分結束后如圖10所示。劃分結束后共113953個節點、57471個單元。

圖10 上料機械手整機網格劃分

4.3 模態分析結果

結合上料機械手的實際工作情況,豎直滾珠絲杠滑臺背板的通孔在工作過程中交替承受拉伸和壓縮作用力。因此,將豎直滾珠絲杠滑臺背板通孔進行Fixed Support約束。模態分析得到的上料機械手前6階固有頻率見表6,翻轉氣缸豎直位姿模態分析振型圖如圖11所示。

表6 上料機械手前6階固有頻率

圖11 翻轉氣缸豎直位姿模態分析振型圖

機械手的1階振型振動方向主要為Y軸方向,振動幅度由豎直升降滾珠絲杠底座往端夾器逐漸增大,端夾器末端振動幅度最大,發生左右擺動,其他方向的振幅可以忽略不計。機械手的2階振型振動方向主要為X軸方向,振動幅度由豎直升降滾珠絲杠底座往端夾器逐漸增大,振動方向為上下擺動。機械手的3階振型振動方向主要為Y軸方向,X軸也有振動,Z軸振動可以忽略不計,振動幅度由翻轉氣缸與旋轉氣缸連接處往Z軸正負方向分別增大。機械手的4階振型振動方向主要為X軸、Z軸方向,沿X軸和Z軸正方向處振幅逐漸增大。機械手的5階振型振動方向主要沿X軸、Z軸方向,振動幅度從水平滾珠絲杠滑臺末端向工字梁和端夾器末端逐漸增大,呈S形波動。機械手的6階振型振動方向主要沿Y軸方向,以翻轉氣缸與旋轉氣缸連接點為中心上下部分反向左右擺動,端夾器末端振幅最大。

結合表6與圖11可知,上料機械手的主要振動形式為端夾器左右擺動,因此,為防止上料機械手在使用過程中發生共振,應確保干擾頻率遠離各階固有頻率。

5 結 論

(1)針對目前人工分揀上料的裝配效率低、型號匹配易出錯等問題,設計了一款用于螺柱焊延長桿和螺柱的自動化上料機械手,提高了上料效率和配對準確率。

(2)基于ANSYS Workbench對機械手關鍵零部件進行靜力學分析,結果表明,機械手的結構設計滿足要求,其關鍵零部件的剛度和強度可靠。

(3)基于簡化的機械手三維模型,進行了整機模態分析,得到了結構的低階固有頻率及模態振型云圖,明確了共振頻率范圍,為后期轉速和運行速率設計提供了理論依據,為機械手平穩運行奠定了基礎。

綜上所述,螺柱焊零件上料機械手設計實現了在較低成本下代替人工進行多種零件精準高效自動化上料的目的,提高了上料的準確性和裝配成品合格率,保證了螺柱焊接工藝質量的穩定,且可推廣應用于其他工藝生產上料流程,具有一定的工程價值和應用前景。