手機生產線排序裝置設計與仿真

郝用興，馬得朝，馬子領

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

機械手是一種自動化、智能化的生產裝置，它具有抓取、翻轉、移動甚至直接簡單加工工件的功能，同時也是許多智能機器人應用的重要組成機構。伴隨著機器人技術的發展，機械手技術也得以快速進步。許多造型美觀、性能優異的機械手產品在高溫、高壓、高濕、低氧、高強度等惡劣抑或高重復率的工作環境中代替人工勞動方面做出了突出的貢獻。

機械手的廣泛使用是未來的發展趨勢，機械手的定位精度也在隨著自由度的增加而不斷提升，但自由度的不斷增加隨之而來的就是設計、加工、控制成本的大大增加。現在工廠里所使用的專用機械手自由度一般都是2~3個，3個以上自由度的機械手主要用于教學和實驗。本文旨在設計一個手機生產線排序裝置，通過其與簡單機械手的配合使用來達到多自由度機械手的功能，從而降低工廠的投入成本。

1 機構方案

本文基于手機生產流水線機械手抓取傳送帶上手機困難的情況，在機械手進行抓取之前先行對手機進行定位，以方便機械手的抓取。

1.1 工作條件和系統需求

工作條件：在手機生產流水線上手機隨著傳送帶向前運動，手機在傳送帶上的位置為手機生產人員隨機放置，如圖1（a）所示。運送的手機產品外形：長度a=110mm，寬度b=60mm，厚度c=10mm，質量m=120g，外殼為PC材料，彈性模量E=2300 MPa。傳送帶的運行速度V=6m/min，寬度為B=500mm。手機與手機之間的摩擦系數為0.05，手機和傳送帶之間的摩擦系數為0.3。

系統需求：在此工作條件下設計一個手機生產線排序裝置對傳送帶上位置不規則的手機進行排序定位（如圖1所示），以此來降低機械手的抓取難度。

圖1 手機定位前后對比

1.2 設計方案

為使大量不規則的物體有一個固定的方位，目前常見的處理方案有兩種。

圖2 固定V型口裝置

圖3 防擠壓V型口裝置

方案（1）：固定V型口裝置對手機的排序。如圖2所示，在傳送帶上放置一個固定的V型口和導向槽。

方案（2）:防擠壓V型口裝置對手機的排序。如圖3所示，該裝置設計了對轉防擠裝置，對轉防擠裝置由對稱間隔放置的一對轉輪組成，朝向來料一側的該對轉動件的弧面與傳送帶圍成防擠壓V型進口，轉輪的轉動方向和傳送帶的運動方向相反。

通過ABAQUS軟件模擬仿真發現，手機在通過固定V型口時只有單一、少流量及特定狀態的手機才可以通過，大流量位置特殊的手機會出現堵塞V型口導致無法通過的現象，因此該方案不可行。防擠壓V型口裝置雖然可以避免V型口堵塞，但是需要通過不斷調整轉輪的速度差才能使特殊狀態的手機順利通過。例如圖4（a），當兩個輪子的轉速差距較大，且在3.5倍以上時才能使手機迅速通過；如圖4（b）當兩個輪子的轉速差距較小時，方可使手機順利通過；對于如圖1（a）的情形，則需要通過觀察手機在V型口聚集的情況，不斷的調節兩個轉輪的速度比，方可以使手機順利通過。由此可見根據不同的情形，需要不斷的調節輪子的轉速，這大大增加了監測、控制難度。

通過對圖1（a）以及圖4三個狀態的分析可以發現:手機縱向放置的通過性要大大好于橫向放置的狀態。由此設想，在傳送帶中心線上固定一個導向柱，用以分開通過的手機流，使手機盡可能的靠近輪子邊緣，通過轉輪帶動手機旋轉避免有橫向放置的手機通過V型口。如圖5所示：由一對轉輪、導向柱和輸送機的輸送帶構成多適應性V型口的入口。在兩個轉輪有固定的轉速比時，該方案可以解決圖4、圖1（a）及其他特殊位置的工況，使得操作更簡單化，切實可行。

圖4 防擠壓V型口裝置對特殊位置手機的處理

圖5 多適應性V型口裝置

2 設計方案模擬驗證

ABAQUS被業界稱為有限元軟件中的“貴族”，處理復雜非線性問題能力強，擅長解決接觸、大變形、非線性材料等高端問題。

為了驗證本文所提出方案的有效性，利用ABAQUS進行建模仿真如圖6所示，其中模型參數如表1所示，模型運行速度如表2所示，各部件間摩擦系數如表3所示。通過圖6（a）和圖6（b）可以看出此方案切實可行，對多種工況具有很強的適應性。

圖6 多適應性V型口裝置ABAQUS模擬仿真

表1 模型參數表

表2 模型運行速度

表3 摩擦系數

3 結構設計及優化

在方法方案及設計方案模擬驗證中得到了如圖5所示的設計方案，但它距離產品的設計與實現還相差甚遠。如圖7所示，為了方便機械手的抓取在導向槽的末端再加一個擋板。將根據設計要求進行產品的整體設計與優化分析。

圖7 加擋板的多適應性V型口裝置

（1）轉輪尺寸設定。由于手機是在傳送帶上隨機放置的，為了防止手機和轉輪發生碰撞后掉落，則：轉輪直徑D≥A-B；由于此處為單層手機，為保證手機和轉輪充分接觸，則轉輪高度h輪≥c。

（2）導向槽尺寸設定。為方便機械手的抓取，假設導向槽內有3部待抓取手機，則導向槽的長度為：L=3*a，考慮到擋板和導向槽的距離，V型口內也可以存放手機，此處設定L=2*a，寬度d=B，高度h槽=h輪。

（3）導向柱、擋板尺寸設定。導向柱和擋板尺寸對該機構的影響很小，從結構強度與各部件協調等方面考慮，設定導向柱的直徑d=20mm，高度h柱=h輪。擋板長度e=B，寬度f=b，高度h板=h輪。

圖8 手機生產線排序裝置圖

4 結語

本文針對流水線傳送帶上位置不規則的手機如何規則化排隊問題進行了研究，采用本文設計的手機生產線排序裝置可以使原本雜亂無章的手機擁有統一的方向和固定的位置。該研究可以大大降低后續機械手操作的難度和工廠的投入成本。

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