機械手結構設計優化方法探究

賀 翔，李衛國

（1.內蒙古工業大學礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學工程訓練中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

現階段，我國空心杯制造加工過程中，人工操作占據重要地位，尚未推廣應用現代自動化操作系統，尤其是線板與線板之間的纏繞，主要以人工操作方式為主，這種操作方式，除了需要耗費大量人力資源之外，還不具備較高的工作效率，影響生產效益的增長。基于此，本文對“機械手結構設計優化方法”展開深層次實踐分析，對于提高機械手使用效果，全面提高空心杯生產效率而言，具有十分重要的現實意義與實踐價值。

1 機械手結構設計優化主要研究內容概述

空心杯線圈生產線需重視機械手的有效應用，線圈纏繞完成之后，空心杯的制造就算是半成品完成，此刻線圈僅需要進行適當的加工處理，就可以制造出成品。筆者本文研究旨在設計多角度活動的機械手系統，促使機械手能夠完成從上料到安裝到精準機主軸上的一系列操作。具體言之，機械手結構設計優化主要研究內容有以下幾個方面的內容。一是深入調查上下料機械手的特點，并明確其存在的優缺點，然后結合機械手功能需求，參考機械手設計原理，最終確定機械手設計目標及優化方案，并以此為依據，制定詳細的設計方案[1]。二是依據設計方案、考慮機械手動作需求，進行結構優化設計，進行機械手零件連接仿真模擬，從中結合零件變形、應力圖等進行分析，最終選擇動力學性最佳的材料制造零件[2]。三是對確定好的機械手優化最佳參數，最大限度減少機械手零件承受力，促進生產線使用年限[3]。四是借助ANSYS等軟件仿真模擬機械手，驗證機械手各零部件設計是否合理，及時發現結構設計不合理之處，然后借助拓撲優化方法，改善機械手不合理結構，以此有效提高機械手精準度，有效降低制造成本。

2 機械手結構設計優化方法分析

2.1 機械手總體方案優化設計

（1）上下料機械手系統方案優化設計。機械手系統方案的優化設計，主要涉及繞線原理、線圈生產主要流程兩個方面的內容。一是繞線原理。結合實際加工需求，不同直徑線圈生產活動中，僅需要將與之相對應的線圈芯軸套更換就可以持續進行加工。這樣一來，一方面可以保證線圈纏繞準確率；另一方面可以有效提高機械手工作效率。需強調的是線圈纏繞時，需保證不同型號線圈與芯軸尺寸相符。二是線圈生產主要流程。線圈的生產主要依靠機械手將未加工的線圈安裝到主軸上，然后繞線機以斜繞式方法，將銅線纏繞到線圈上，最后在精準機主軸的作用下，完成精準機精準線圈加工。設計階段，相關人員首要工作是明確機械手操作空間大小，并確定芯軸與主軸對接位置，然后以此為依據，結合實際需求，優化設計機械手每一個動作，并確定機械手的具體位置，一方面可以解決空間問題；另一方面可以最大限度節約成本。

（2）機械手自由度。線圈生產中，機械手主要在繞線機與精準機之間發揮作用，可讓線圈完成繞線機到精準機主軸之間的一系列動作。結合實際需求，機械手在線圈加工中，所需要執行的動作，總體言之，主要包括以下幾個方面的內容。機械手從繞線機初始位置移動到終止位置整個過程中，機械手的主要動作為緊抓住線圈，并以直線運動方式移動到中間位置，最后將線圈安裝到精準機主軸上。機械手移動到繞線機的整個過程中，動作的實現，可以直線方向移動實現，這個動作可確定一個自由度。首先，將X軸設為移動副，機械手線圈抓取與松開等操作，主要是在繞線機與精準機主軸之間來回以直線正反向線性運動予以實現。機械手在完成繞線機上線圈夾持動作之后，就可以繼續完成繞線機離開動作，然而生產線上有擋板，意味著機械手離開繞線機的動作，必須繞開擋板，才能保證機械手順利完成繞線機離開操作。在此移動過程中，與上述動作屬于同一個水平方向，自由度與第一個X軸移動對相同。除了確定水平方向的自由度之外，還需要進一步在豎直方向單獨確定一個移動自由度，以Z軸設定為移動副，Z與重力加速度方向相反。最后裝配動作需水平面垂直X方向的另一個移動副輔助完成動作，設定為Y移動副。總之，機械手自由度的確定，主要有四個，當中三個為移動自由度，一個為手爪夾持自由度。

2.2 機械手動力學仿真模擬

通過solidwords軟件仿真模擬機械手，構建與之相符的幾何模型，隨后將相關數據輸入到ANSYS中，并設定重力加速度單位，X軸設定為接地，以此展開機械手動力學仿真模擬。結合模型與實際輸出結果，發現速度變量雖保持一致，但是力量與力矩變量模型與實際存在顯著的差異。為了更好滿足現代工業生產線的實際需求，結合機械手受力效果，予以措施進行進一步優化機械手設計。首先，結合機械手各部分重要零部件的具體受力情況，優化選擇材料，并適當調整機械手的運行方向。其次，設計方案與機械手整體機構進行比對分析，并以此為依據，對機械手具體結構優化設計的可行性進行探討，最終確定機械手各零部件最后類型。三是借助動力學仿真模擬，通過多次反復驗證，得出機械手的最佳安裝數據，然后在最優解中得出最佳安裝位置。需強調的是在仿真模擬時，需進行多次驗證，其主要目的是保證仿真模擬數據的準確、有效性，只有這樣，才能真正意義上確定出機械手之間的最佳安裝位置。最后，ANSYS中分析機械手模態振型，尤其是機械手當中的一些重要零部件，更需要借助ANSYS進行應力分析，然后利用拓撲優化學，完成機械手零部件的材料優選工作。

綜上所述，機械手在現代工業中有著廣泛的應用，然而在實踐中，暴露出一系列問題，直接影響到機械手既有作用的發揮。所以，在實踐中，有必要結合工業生產需求，進一步優化機械手結構設計，并立足于工業生產實際需求，探討出行之有效的機械手結構優化方法，為充分發揮機械手應用價值夯實基礎，進而產生更大的經濟效益，推動我國現代制造加工業的發展。