汽車軸承自動搬運裝置的研制及應用

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(大連海事大學船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026)

0 引言

目前，市場上普通軸承的生產線基本已經達到全自動水平，但汽車軸承生產線的自動化程度還相對落后。由于汽車軸承特殊的外型、結構以及工藝過程[1]，導致其自動化生產比普通軸承更加困難；加之此前國內市場勞動力充沛且成本較低，使得汽車軸承生產線自動化進展緩慢。

近年來，隨著社會經濟的發展和汽車市場的進一步擴大，在勞動力成本不斷提高的同時，汽車軸承的需求量也在不斷提高。與此同時，技術的不斷發展促使汽車軸承廠商開始謀求現有老舊生產線的改造升級，從而推動企業的發展。針對大連某日資企業提出的需求，為解決汽車軸承生產線中相鄰工序之間重復性高，且勞動強度大的搬運及上下料作業所帶來的一系列問題，開發了一款適用于多種型號汽車軸承的機械手。它能夠引導多個相鄰工位聯動來實現局部全自動生產，在此將對其結構部分的研制過程及應用情況進行詳細介紹。

1 機械結構設計

1.1 設計原則與指標

通過對多種型號汽車軸承結構[2]的研究以及生產線現場(如圖1所示)的實際測繪，提出了自動搬運機械手的設計原則和目標如下：

圖1 汽車軸承組裝生產線現場局部圖

a.布局緊湊，占地面積小，盡量不改變生產線整體布局。

b.結構可靠，運行穩定，安全性高。

c.引導相應工位的機床進行聯動生產，完全取代人工作業，加快生產節拍的同時也要降低生產成本。

d.操作簡單，使用方便，易于日常維護。

e.盡量降低設計和使用成本。

f.滿足輕量化和柔性化的設計要求，并具備較高推廣價值。

g.符合國家和行業的相關規定與標準。

經過商討確定出該設備設計指標與相關參數如表1所示。

表1 相關指標與參數

1.2 三維建模設計

采用模塊化的設計理念[3]，將自動搬運機械手的結構分成夾持機構、升降機構、橫移機構和機架結構4個部分。根據所要實現的功能和生產線的布局等因素，在SolidWorks軟件中進行本套設備的詳細結構設計。預定工作過程[4]如圖2所示：機械手接收到3個工位的加工完成信號后從原點開始動作，第1步在前工位進行取料，然后上升到安全高度后進行橫向搬運，到達下一工位上方后下降，當工件接觸到機床時，夾持機構復位完成放料動作，此時發出信號啟動各工位的機床，機械手再次回到原點，按照此閉環流程循環往復作業。

圖2 設備工作過程

如圖3所示，夾持機構由圖中的工裝夾具和廣角卡爪2部分組成，用來完成Z方向的工件夾持。工裝安裝在兩側夾桿各1個，每個工裝分為上下2部分，中間由連接塊連接，通過拉環快鎖插銷將工裝固定在夾桿上，方便更換與維護。工裝上半部分包括夾板和墊塊，在夾桿的帶動下完成夾持動作，夾板頂端尼龍材質的墊塊使工件不受損傷；工裝的下半部分是1塊月牙形支撐板，夾桿閉合后它的尺寸介于工件外圈與法蘭之間。假如工件松脫，下方的支撐板可以卡住工件的法蘭，起到保護工件和設備的作用。廣角卡爪是夾持機構的驅動元件，利用內部氣缸推動支點來帶動夾爪進行90°轉動，從而完成夾持動作。結合工件最大重量和尼龍與工件間的摩擦因數進行計算，在CKD氣動元件選型手冊中,選出所需使用的廣角卡爪型號為HJD-63CS-T2H3-D。

圖3 機械手臂結構

升降機構由升降臺和伺服電缸組成，其作用是實現工件Y方向移動，配合完成夾持機構取料放料和橫移機構安全搬運。升降臺是機械手的重要連接和支承部件，夾持機構固定在升降臺頂部，升降臺底部與螺桿滑臺的螺母座連接，依靠滑臺運動來進行升降動作?？紤]到升降臺的承重能力和剛度問題，在設計中加入了筋板；螺桿滑臺內部采用絲杠傳動的方式，兩側安裝直線導軌，導軌上的滑塊與絲杠上的螺母座連接，吸收徑向載荷來保證絲杠不受破壞。伺服電機作為驅動元件，螺桿滑臺作為執行機構，中間采用同步帶或同步齒輪傳動，這三者共同組成了伺服電缸。伺服電缸采用閉環控制，控制精度可以達到0.01 mm，具有運行平穩、速度快、定位精度高、使用壽命長和抗干擾能力強等優點?？紤]到機械手要適用于多種型號汽車軸承，盡管可以快速更換夾具，但也不能完全解決夾持原點和升降高度的不同所帶來的問題。伺服電缸的性能特點不僅能滿足汽車軸承生產的環境與要求，同時也能在不更換螺桿滑臺的情況下，通過參數設置直接改變夾持原點的位置和升降高度。根據外界負載、機械手結構和伺服電缸的使用方式等因素，經過計算后,在TOYO產品選型手冊中選出螺桿滑臺,型號為ETH-14-L5-150-BL-M40B-E5；在三菱產品選型手冊中選出伺服電機,型號為HJ-KS43BJ。

橫移機構由驅動裝置和輔助部件組成，其作用是實現機械手臂在X方向運動。機械臂、滑塊和撞塊都固定在連接板上(如圖3所示)，直線導軌以及緩沖器固定在框架的固定座上(如圖4所示)，氣缸通過連接配件固定在框架上。運動軌跡由直線導軌和滑塊確定，也由它們承受徑向載荷。氣缸提供橫移所需的驅動力，在氣缸和推板之間用萬向節連接，防止氣缸安裝偏芯?？紤]到在運動停止時，機械手臂帶來的慣性力和撞塊的沖擊振動都會對設備以及工件造成不良影響，所以在行程終點加裝緩沖器來吸收殘余動能。結合設計指標和結構參數等情況，進行計算后，在CKD氣動產品選型手冊中確定橫移氣缸的型號為SCA2-LB-50B-600-T0H3-D。并為氣動系統選配出了所需的閥島，它由電磁閥、壓力開關、壓力表、殘壓排除閥和空氣過濾器共同組成。

圖4 自動搬運機械手整體結構

為了提高機械手的搬運效率和生產節拍，本次設計采用了雙臂結構(如圖4所示)，2個手臂之間用拉桿進行連接，拉桿與拉桿座之間通過關節軸承相連。2個手臂同時進行夾持和升降動作，完成之后在橫移氣缸和拉桿的作用下將雙臂結構帶到下一工位。機架結構是整個設備的承重主體和安全保護結構，采用優質工業鋁型材搭建了框架式結構，并用強度高韌性好的PVC板材做表面封裝。機架結構的設計在保證設備安全穩固的前提下，提高了設備的柔性化和運轉過程的可視化，同時還更加有利于技術人員對設備的日常維護與檢修。在設備門上加裝了電控磁吸開關，進一步保障了工作人員的安全。設備的地腳與地面之間進行了固定連接，并將生產線上機床與自動搬運機械手進行連接，保證了設備在生產過程中的精度與穩定。完成整個設備的設計后，在軟件中對裝配體進行干涉檢查并進行修改；按照設計好的工作流程完成動畫模擬，初步驗證結構的合理性。

1.3 關鍵零部件的有限元分析

在設備的零部件進行加工之前，需要對重要結構進行優化設計并檢驗結構的可靠性[5]，從而避免產生危險和損失。升降臺作為自動搬運機械手運動過程的關鍵零件，采用常規計算難以準確快速地校核其安全性以及設計的合理性。本文采用有限元法對升降臺進行分析，使用ANSYS Workbench軟件[6]作為分析環境。對結構的三維模型進行合理簡化[7]是縮減分析時長并提高分析成功率的基礎。將簡化后的模型導入分析軟件中進行前處理，設置參數如表2所示。

表2 前處理參數設置表

1.3.1 拓撲優化

經過前處理設置后，模型網格劃分成功，網格數量為161 886個，節點數量為684 942個。根據輕量化的設計原則，在滿足性能要求的前提下，減輕升降臺結構的重量能夠減小慣性影響，提高運動的平穩性。基于拓撲優化理論，在Shape Optimization模塊中對極限工況下的升降臺進行靜力學拓撲優化分析，其主要受力為夾持機構的重力39.7 N、工件的遠端力50.0 N、自重85.8 N，以及螺桿滑臺的最大合拉力2 798.0 N。依據分析結果，對升降臺模型進行結構優化設計。如圖5所示，左側為軟件給出的優化分析結果，右側是根據分析結果進行實際優化設計后所建立的三維模型。

圖5 拓撲優化分析結果與優化后模型

1.3.2 靜力學分析

對優化后的模型重新劃分網格，網格數量為119 072個，節點數量為527 659個。在結構靜力學模塊中施加與拓撲分析中相同的邊界條件，分析結果應力應變特征如圖6所示。

由于Q235A屬于塑性材料，所以采用的第四強度理論進行校核，其表達式為：

(1)

σ≤[σ]

(2)

(3)

σ為等效應力；σ1，σ2，σ3為3個主應力；[σ]為許用應力；σr為塑性材料屈服極限；nr為安全系數。查閱機械設計手冊[8]可知， Q235A屈服極限為235 MPa，塑性材料安全系數范圍為1.2～2，取安全系數為2，算得許用應力為117.500 MPa。根據仿真結果可知優化后的升降臺所受最大等效應力為28.623 MPa，遠遠小于其許用應力，強度滿足要求；極限工況下其最大應變量為0.189 57 mm，遠遠小于其結構尺寸，屬于彈性變形，滿足剛度要求。

圖6 升降臺靜力學分析云圖

1.3.3 模態分析

模態分析可以確定結構的固有頻率，一般來說，低階頻率對性能影響較大，對升降臺添加約束后進行分析，結果如表3所示。設備工作過程中的主要振動源是伺服電機，其激勵頻率通過下式計算：

(4)

f為電機激勵頻率；nM為電機轉速；δ為上下浮動誤差。在實際工作中電機最高轉速為1 800 r/min，浮動誤差取50 r/min，得出激勵頻率約為30 Hz。707 Hz為升降臺最小固有頻率，遠遠大于電機激勵頻率，因此排除了工作過程中結構發生共振的危險。

表3 前6階模態的固有頻率

通過上述分析優化了升降臺結構，校核了其強度、剛度和振動特性，排除了結構的潛在風險。進一步確定了結構的可靠性和安全性，在一定程度上保證了自動搬運過程的定位精度與重復精度。

2 控制系統

完成設備的結構設計后，需要搭建其控制系統，整體規劃如圖7所示。傳感器、壓力表和按鈕等元器件發出的電信號通過繼電器傳輸到PLC，經過程序判斷后再由PLC給各控制和執行元件發出指令，進而實現相應功能。

圖7 控制系統整體結構

電源系統是指整套設備的電力供給電路，外部交流電在經過開關組、電源模塊和繼電器的過程中，輸出多種正負極電源來給不同的元件和回路送電；伺服運動系統用來控制電缸進行升降；氣動系統中各個元件在氣動回路和電路的配合下完成夾持和橫移；由人機交互系統來實現設備的調整、監控和啟停等功能，其中觸摸屏三菱GS2107-WYBD和PLC三菱FX3GA-60MT之間采用RS422串口通信。由以上4個部分組成了完整的硬件控制回路，根據相關參數進行計算后對各部分詳細電路進行設計，并列出所需元器件清單進行采購。最后搭建出控制柜并編寫程序。

3 實際生產應用

完成整個設計后，對加工好的零部件進行組裝，保證裝配精度達到要求。把設備投放到汽車軸承生產線上進行安裝調試，進一步對細節進行完善和調整，完成后的效果如圖8所示。

根據控制系統的統計與生產線負責人的反饋可知：自動搬運機械手投入生產后，完全替代2名工人，節約了生產成本；生產線環境相比人工作業有了顯著改善；搬運成功率達到99.97%以上；并且以6 s每次的速度啟動3個工位對應機床的生產作業，始終超過8 s每次的人工最快速度，加快了生產節拍，提高了生產連貫性和產量；降低了產品的不合格率，并減小了安全事故的發生可能性。第1臺設備的成功應用，為后續推廣提供了經驗和實例。本文的自動搬運機械手結構還將應用到汽車軸承生產線的其他工位上，成為汽車軸承自動化生產的重要環節。

圖8 企業生產線現場實物

4 結束語

通過對汽車軸承及其生產線的研究，提出了一種專用型自動搬運機械手。對其進行了結構設計和驅動元件的選型，并初步證明其可行性。采用有限元分析軟件和相關理論對關鍵零部件進行優化設計和校核，排除了一定的安全隱患，驗證了結構的可靠性。對其控制系統進行整體規劃設計，實現生產線安全聯動生產。實物樣機在生產線的實際使用效果表明了結構設計的合理性和有限元分析結果的正確。該設備在企業中的成功應用，完成了機器替代人工的目標，加快生產節拍并降低了生產成本，實現局部全自動生產。并且為汽車軸承生產線后續的改造工程提供一定的參考，使本套設備具有更大的推廣空間以及應用價值。