玻璃生產線上機械手堆垛機靜動態特性與優化研究

摘 要：玻璃產業是我國最為重要的產業之一，同時也是平板玻璃最大的生產國家。基于此，本文從靜態特性與動態特性這兩方面來分析玻璃生產線上所使用的機械手堆垛機，并提出相對應的優化對策，希望能為提升玻璃生產效率和質量提供有效建議。

關鍵詞：玻璃生產線;機械手堆垛機;靜態特性;動態特性

機械手堆垛機適用應各行業領域中，具有應用廣泛性的特征，因有著較好的平衡性，在玻璃生產線上進行使用，不僅能夠提升生產效率，也能減輕工作人員工作量。通過從靜態與動態這兩方面的特性來分析機械手堆垛機，如何發揮機械手堆垛機在玻璃生產線上的實際效用，是目前各相關人員需要考慮的問題。

1. 機械手堆垛機靜態特性

有限元法是分析機械手堆垛機靜態特性的主要應用方式，通過分析該設備的受力情況和變形狀況，在此基礎上來考量機械手堆垛機的強度與承受度是否能夠滿足玻璃生產線需求，機械手堆垛機具備良好的靜態性能是提升該設備動態性能的關鍵。

1.1有限元法基本內容

隨著計算機技術不斷發展和進步，使得有限元法得到了廣泛的應用和發展，通過對連續性的物體采取有限次的分割，結合相應的力學知識與幾何知識對分割后的小塊進行分析，并對分析完成后的小塊結果進行累計求和，代替連續物體結果。以下通過對玻璃材料的均勻性與線性進行假設，借助力學知識，來重點分析機械手堆垛機靜態特性。

有限元法具體分析過程如下：第一，結構的離散化。把結構劃分成有限個小型單元體，并將單元、邊界等元素利用節點進行連接，此過程為結構離散化[1]。小塊結果與單位劃分的形狀和大小有著一定影響，換句話說，越小的單元，其形狀也就越復雜，而單元結果與實際變形情況也會越接近，但相對應的也會增加整個單元體結構的運算量。

第二， 等效節點應力，當物體的結構離散化后，節點與各單元的聯系是十分密切的，所以計算機械手堆垛機靜態特性的力也是節點上的力。因實際中物體是連續的，物體的任何位置都可以產生力作用，所以力在物體上的傳遞也呈現連續性，通過將作用于物體上的力等效平移在節點上，其為等效節點應力。每個單位位移后，有限元法把離散化后單元小塊進行節點連接來還原成原有的物體結構，經過一系列計算，來解出整體的節點位移量。

1.2模型簡化

采取有限元法時，因運算量較大，相對應需要保存的數據也很多，為了提升分析結果的精準性，對所分析的對象進行綜合的考慮，對模型進行簡化，以此來提高建模效率和運算速度[1]。機械手堆垛機靜態特性分析主要從大臂、小臂以及基座等幾個關鍵的構件著手，模型具體簡化內容如下：一是，因零件的圓角、倒角以及溝槽等連接點對機械手堆垛機強度影響較小，可以進行忽略，由于分析軟件的特性，對機械手堆垛機裝有軸承的軸去掉，簡化為階梯軸，在一定程度上可以避免后續機械手堆垛機靜態特性分析結果出現偏差;二是，鋁合金型材料是機械手吸盤架中許多小零件的主要制成材料，無法利用有限元法采取網格劃分，通過考慮機械手堆垛機強度問題，將這一部分有矩形管替代。簡化后的機械手堆垛機模型參考圖1。

1.3靜態結果分析

通過對簡化后的模型進行導入，并對以導入的模型采取以一系列的計算工序來對機械手堆垛機在整體結構上的受力情況進行分析，在此基礎上尋找出該設備的薄弱點。在此過程中，對機械手堆垛機工作時變形最大、力矩最大以及最危險的位置進行重點分析，可以發現該設備在搬運玻璃時，機械手堆垛機的大臂、小臂仍停留在原有的水平位置，并沒有發生變化，但整體重心卻向前移動，所產生的力矩也最大，與此同時，機械手堆垛機所抓起的玻璃距離設備底座越遠，其力矩的產生也就越大，也就表明此時機械手堆垛機受力所產生的力矩與變形都呈現最大化，該狀態為機械手堆垛機的極限工作狀態，工作時具有一定的危險性。因此，玻璃生產線上機械手堆垛機的設計，以及各關節結構部件制成材料的選擇應符合玻璃生產所需的強度，調整機械手底座所承受的最大變形量，以此來緩沖物體作用力。

2. 機械手堆垛機動態特性

2.1動態分析基本內容

振動是機械設備運行過程中無可避免的問題，振動幅度與振動頻率過高對機械設備正常的運行有著一定影響，減少機械設備的振動，在一定程度能夠確保各類型生產工作順利且安全的進行[2]。借助模態分析來對機械手堆垛機的工作頻率與原有的運行頻率進行動態特性比對，在實際操作的過程中，要求機械手堆垛機抓取玻璃板后，抓取玻璃板的速度應維持平穩狀態，無明顯沖擊;分析結果表明，機械手堆垛機在抓取玻璃板后，由于在工業機器人的帶動下，機械手吸盤出現了加速變化，雖然所增加的幅度不大，但頻率較高，尤其是以吸盤架擺動為主的機械手堆垛機。

2.2動態結果分析

玻璃生產線上的機械手堆垛機由兩個結構主體構成，分別是工業機器人和機械手吸盤，前者負責運動，后者負責抓取，經過一系列的計算和分析，機械手堆垛機動態主要包括該機械設備的工作空間，空間的規劃與配置對實際運用中的機械手堆垛機有一定影響，在安裝機械手堆垛機底座時，需要充分考慮該設備所能達到的工作空間，合理規劃玻璃生產線上的布置，對于后期機械手堆垛機的控制以及工作路徑規劃有著關鍵性的作用。

3. 針對玻璃生產線上的機械手堆垛機優化對策

3.1關鍵零部件優化

通過分析可知，現階段所采用的機械手堆垛機仍存在許多不足，設備底座受力不強，在工作時，一旦所搬運的物體重量超過設備承載，會導致整個零部件發生損壞，進而影響使用。因此，對該設備的關鍵零部件進行優化，比如小臂，機械手堆垛機所有的受力都在小臂上，既要承擔承重作用，也要對其負載，機械手堆垛機小臂的優化要從強度、承重以及負載等方面入手，對原有小臂的壁厚加大，減少變形，提升承重能力。

3.2玻璃生產線上機械手堆垛機的具體使用類型

通過對上述分析，鋁合金材料所制成的結構具有較強的強度，完全符合玻璃生產需求，其安全性也相對較高，所以可對這一型號材料制成的機械手堆垛機進行考慮，但機械手堆垛機工作時間不易過高，而現下玻璃生產速度越來越快，縮減堆板周期是關鍵，周期縮減相對應的機械手堆垛機振動頻率與幅度也就越高，因此，玻璃實際生產的過程中，可考慮多臺機械手堆垛機協調工作，減少每臺設備工作頻率，既能提升工作效率，也能保障玻璃生產安全。

隨著科學技術不斷發展和進步，相信各類機械手堆垛機制造工藝與玻璃生產技術也會越來越成熟，不斷完善機械手堆垛機功能，并提高玻璃生產技術水平，強化機械手堆垛機在玻璃生產中的應用效果，提升玻璃堆垛效率和最終玻璃成品質量，能夠有效降低玻璃生產成本投入的同時，也能為操作人員提供安全保障，從而確保我國玻璃制造業未來可持續的發展。

結束語：綜上所述，通過對上述機械手堆垛機靜動態特性的全面分析，利用先進的科學技術來進一步完善與升級機械手堆垛機各項功能，能夠有效促進我國玻璃生產現代化、機械化方向發展的同時，也能為推動我國玻璃產業可持續的發展打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]李曉波.堆垛機故障預測與維修決策技術研究[D].機械科學研究總院，2020.

[2]岳森峰，張尊敬，孫必超.堆垛機動態參數設定與出入庫效率的匹配[J].起重運輸機械，2020（06）：46-50.

作者簡介：劉勇（1981— ），男，漢族，安徽宿州人，本科，工程師

研究方向：浮法玻璃自動化堆垛設備

（中建材（蚌埠）光電材料有限公司? ? 安徽? 蚌埠? ?234300）