注塑機(jī)專(zhuān)用五軸伺服機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真

1、注塑機(jī)專(zhuān)用五軸伺服機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真0 引言目前，我們用的塑膠制品有 80%以上都是通過(guò)注塑成型機(jī)進(jìn)行加工，而且隨著社會(huì)的發(fā)展，塑膠制品的應(yīng)用范疇在不斷的擴(kuò)大，人們的需求量也越來(lái)越大1。注塑機(jī)機(jī)械手是為了配合注塑生產(chǎn)的自動(dòng)化而出現(xiàn)的專(zhuān)門(mén)配套設(shè)備，對(duì)提高注塑行業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大的作用，同時(shí)還大大減少了由于人為操作失誤而造成的損失，減低了生產(chǎn)成本并保證了工人的人身安全2。然而，目前所用的注塑機(jī)機(jī)械手大多來(lái)自進(jìn)口，相對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō)價(jià)格無(wú)疑是太昂貴而且操作起來(lái)不方便。五伺服機(jī)械手是針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)注塑行業(yè)產(chǎn)品的多樣化、批量化和精密化的發(fā)展趨勢(shì)以及國(guó)內(nèi)注塑行業(yè)對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求不斷提高的狀況而提出

2、的，為研制適合我國(guó)注塑企業(yè)使用的低成本、低噪音、低能耗、好效率的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)注塑自動(dòng)化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化、知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主化提供了理論依據(jù)。作為某企業(yè)委托的一項(xiàng)研究項(xiàng)目，本文對(duì)注塑機(jī)五軸伺服機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，利用Pro/E 軟件對(duì)其進(jìn)行建模并導(dǎo)入到adams 中進(jìn)行仿真，為以后要進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)仿真及有限元分析提供一定的理論依據(jù)。1 注塑機(jī)專(zhuān)用五伺服機(jī)械手的結(jié)構(gòu)一個(gè)完善的注塑機(jī)機(jī)械手一般是由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成的。執(zhí)行系統(tǒng)包括用來(lái)抓取和釋放塑膠制品的手爪以及實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作的部件。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即為執(zhí)行系統(tǒng)提供各種動(dòng)力的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)即能夠?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制使得執(zhí)行系統(tǒng)能夠按照所要求的程序而動(dòng)作

3、3。本文主要研究執(zhí)行系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1.1 執(zhí)行系統(tǒng)本文主要介紹的執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括產(chǎn)生引拔行的主副臂、產(chǎn)生橫行的橫梁和懸臂梁、以及產(chǎn)生上下(垂直)行的主副臂內(nèi)外臂。主副手臂均采用內(nèi)外臂嵌套的形式，同時(shí)給內(nèi)外臂等速的驅(qū)動(dòng)即可達(dá)到倍速的效果，這種高度集中的倍速結(jié)構(gòu)不僅能大大的節(jié)約執(zhí)行時(shí)間提高機(jī)器的使用壽命，而且將機(jī)械手整體高度減小到最低值符合廠家在普通小廠房使用的要求。如圖1 所示。受伺服電機(jī)控制，主副臂同步帶帶動(dòng)外臂和內(nèi)臂分別通過(guò)外臂滑塊和內(nèi)臂滑塊上下運(yùn)動(dòng)。懸臂梁、橫梁、主副手內(nèi)外臂等均采用高強(qiáng)度工業(yè)鋁型材，堅(jiān)固耐用且明顯的減輕了機(jī)械手的整體重量。橫行及引拔行方向在該型材的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)為滾輪導(dǎo)軌

4、，不僅在體積和重量上都有一定的改進(jìn)，同時(shí)提高了移動(dòng)的速度減小了工作時(shí)的噪音。注塑機(jī)專(zhuān)用機(jī)械手的手部是用來(lái)直接抓取注塑制品的部件。由于注塑制品的形狀、大小、重量及表面特征等方面存在著差異。因此，機(jī)械手的手部有多種形式，一般可分為夾持式和吸附式兩種4。為了使得在取件過(guò)程中，塑料件跟水口料可以分開(kāi)脫模，將機(jī)械手設(shè)計(jì)成雙臂的形式，主手臂的末端安裝吸盤(pán)用于吸取和釋放塑料制品，副手臂的末端安裝夾鉗用于夾取回料。1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)及機(jī)械等形式5。本文介紹的機(jī)械手橫行、主副臂引拔行、主副臂上下行均采用全伺服交流電機(jī)控制，運(yùn)行速度快且平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)放置取出物。該機(jī)械手

5、各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸處均為墮輪和高扭矩同步帶驅(qū)動(dòng)模式，比傳統(tǒng)的齒輪齒條傳動(dòng)更平穩(wěn)，減小了運(yùn)動(dòng)時(shí)的噪聲。以橫行為例，圖2 為橫行伺服電機(jī)組簡(jiǎn)圖。在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下同步帶帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而在同步帶驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)沿橫行軌道的橫行動(dòng)作。同理引拔行、垂直行均為交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作原理同橫行電機(jī)組，懸臂與橫梁之間通過(guò)懸臂基板和橫行滾輪組連接，橫行電機(jī)組和主副臂引拔行電機(jī)組安裝在懸臂基板上，上下行電機(jī)組安裝在主副臂基座組上，因此，可以做到兩軸或三軸聯(lián)動(dòng)，在必要時(shí)候可以大大節(jié)約循環(huán)時(shí)間。2 Pro/E 的三維實(shí)體建模及導(dǎo)入adams根據(jù)設(shè)計(jì)要求在Pro/E 中建立各個(gè)零件三維模型。并且各個(gè)零件的單位均設(shè)置為mmkgs，為以后將

6、模型導(dǎo)入進(jìn)adams 做好準(zhǔn)備。創(chuàng)建完成各個(gè)零件以后，把各個(gè)零件組裝成裝配圖，此時(shí)要把裝配體設(shè)置成機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的初始位置6，如圖3 所示，以減少仿真時(shí)對(duì)其位置的調(diào)整。出于對(duì)模型復(fù)雜程度以及研究重點(diǎn)的考慮對(duì)裝配體進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。將拖鏈板、箱體蓋、感應(yīng)元件等對(duì)仿真影響不大的部件簡(jiǎn)化掉，簡(jiǎn)化后的機(jī)械手模型主要由以下幾部分組成，基座、橫梁、左右懸臂梁、主(副)臂內(nèi)臂、主(副)臂外臂、橫行(引拔行)滾輪組、內(nèi)(外)臂上下行滑塊、主手、副手。安裝 mechpro2005 時(shí)選擇好pro/e 和adams 的安裝路徑，安裝完成后在Pro/E 的菜單欄中會(huì)出現(xiàn)M/Pro 的菜單管理器，選擇mech/proSet

7、 Up MechanismRigid BodiesCreateBy Selection Add Component，依次選擇沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件將他們定義為一個(gè)剛體，該機(jī)械手模型設(shè)定為14 個(gè)剛體。機(jī)械手模型較為復(fù)雜，考慮對(duì)點(diǎn)線面等特征的容易確定，我們選擇在Pro/E 中添加約束。依次點(diǎn)選Set Up Mechanism Constraints JointCreateType/Method 選擇需要的約束進(jìn)行定義，具體約束見(jiàn)表1。保存Mechanism/Pro 文件。約束完成后點(diǎn)選mech/proInterfaceADAMS/ViewGeometry Quality 輸入9 確定然后選擇Done

8、/Return,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)adams/view 界面并顯示已導(dǎo)入的機(jī)械手模型。如圖4 所示。為導(dǎo)入 adams 后的模型各個(gè)部分定義材料屬性，至此就可以給模型添加驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。3 定義驅(qū)動(dòng)及仿真分析(1)首先給模型設(shè)置重力加速度settinggravity，將Gravity 選中選擇Y 軸負(fù)方向作為重力方向，大小為默認(rèn)值即可。(2)添加驅(qū)動(dòng)。該機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鞣绞绞峭ㄟ^(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)從而導(dǎo)致了一系列動(dòng)作，在距光電感應(yīng)器一定距離時(shí)停止當(dāng)前動(dòng)作進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，仿真時(shí)可以簡(jiǎn)化為給約束一個(gè)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)使得機(jī)械手實(shí)現(xiàn)一系列動(dòng)作。具體約束添加情況見(jiàn)表2。仿真時(shí)間7.6s，仿真總步數(shù)1000

9、步。4 仿真結(jié)果分析通過(guò) Adams 主界面中的可以進(jìn)入測(cè)試結(jié)果界面。得到橫行、上下行、引拔行的速度位移曲線。紅色曲線為速度曲線，藍(lán)色曲線為位移曲線。通過(guò)對(duì)速度位移的測(cè)量，可以確定各個(gè)速度變化是否滿(mǎn)足其工作需求，得到整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化分析提供一定的理論依據(jù)。由測(cè)量結(jié)果可以看出，橫行、引拔行、上下行三方向速度最大不超過(guò)3m/s，橫行位移不超過(guò)1600mm，內(nèi)外臂上下行總最大位移為800mm，主臂引拔行最大位移380mm,副臂引拔行最大位移180mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。運(yùn)動(dòng)流程可歸納為：5 結(jié)論本文對(duì)某型號(hào)注塑機(jī)專(zhuān)用五伺服機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析說(shuō)明，利用Pro/E 軟件對(duì)各零件進(jìn)行實(shí)體建模并利用其裝配功能完成總模型的創(chuàng)建。通過(guò)Pro/E 與adams 的無(wú)縫連接接口將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到adams 中，進(jìn)行了詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，更加形象的得出其運(yùn)動(dòng)流程，并輸出橫行、引拔行(左右)、上下行的速度位移隨時(shí)間的變化情況，為進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)以及有限元分析奠定了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn) (References)1 趙增奎，陸建輝，劉玲. 某型號(hào)注塑機(jī)械手的有限元分析J. 機(jī)械強(qiáng)度，2005，27（6）：803807.2 李兵. 注塑機(jī)械手的參數(shù)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析D.中國(guó)海洋大學(xué),2009.3 牟文杰. 機(jī)械手在注塑