基于某加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手的仿真優(yōu)化

趙向杰，房栓娃

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程中心，西安 710089）

在現(xiàn)代制造加工業(yè)中加工中心的作用越來越顯著，其中，自動(dòng)換刀裝置的換刀速度以及穩(wěn)定性又是影響生產(chǎn)效率的重要因素。目前市場(chǎng)上主流的自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由存儲(chǔ)刀具的刀庫(kù)、及執(zhí)行換刀動(dòng)作的機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置組成。

自動(dòng)換刀機(jī)械手作為自動(dòng)換刀裝置的核心部件，是實(shí)現(xiàn)換刀過程快速、穩(wěn)定的根本保證。其作用是實(shí)現(xiàn)在換刀過程中刀具的交換及插拔，應(yīng)具有響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠等特點(diǎn)。在實(shí)際加工過程中，鎖緊機(jī)構(gòu)的磨損，應(yīng)力集中問題，定位誤差，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大等問題導(dǎo)致了較高的故障率，比如抓刀不穩(wěn)、機(jī)械手動(dòng)作不到位、掉刀等故障。針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。李劍玲等運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)了一種適用于立臥兩用換刀場(chǎng)合的機(jī)械手卡爪機(jī)構(gòu)[1]。陳愛虎與羅生梅通過系統(tǒng)的建模，靜力分析和模態(tài)分析，得到整個(gè)裝配體的位移和應(yīng)力以及它的固有頻率、振型，然后將優(yōu)化前和優(yōu)化后的機(jī)械手進(jìn)行對(duì)比，最終達(dá)到了有效減小數(shù)控機(jī)械手誤差的目的[2]。牛軍燕等通過ANSYS對(duì)機(jī)械手手爪進(jìn)行建模和分析。得出了機(jī)械手手爪的應(yīng)力應(yīng)變圖和手爪的薄弱環(huán)節(jié)，最終設(shè)計(jì)出了綜合性能良好的機(jī)械手手爪[3]。張祺等通過控制PLC 編程改進(jìn)控制系統(tǒng)，一定程度上達(dá)到了換刀快速穩(wěn)定的目的[4]。夏仰球通過可靠性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、精度模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用蒙特卡羅隨機(jī)抽樣的方法，對(duì)廣義機(jī)構(gòu)工作的可靠度進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析。最后，針對(duì)影響機(jī)械手換刀動(dòng)作精度的因素，建立精度影響模型，并對(duì)可靠性進(jìn)行了分析[5]。

本文以某加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)械手為研究對(duì)象，分析該機(jī)械手存在一定的應(yīng)力集中問題，同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大導(dǎo)致?lián)Q刀速度較慢和穩(wěn)定性較差，結(jié)合以上學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，在SolidWorks環(huán)境下建立該型號(hào)換刀機(jī)械手的三維模型，再利用ANSYS Work-bench 軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，找出機(jī)械手的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，再利用Shape optimization模塊中對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到質(zhì)量下降，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低的目的，為后續(xù)物理樣機(jī)的生產(chǎn)提供了依據(jù)，同時(shí)也對(duì)提高換刀過程的穩(wěn)定性和換刀速度具有重要的意義。

1 自動(dòng)換刀機(jī)械手的建模

由安裝圖紙結(jié)合實(shí)際測(cè)量，在SolidWorks 環(huán)境下建立的三維模型如圖1所示。

圖1 自動(dòng)換刀機(jī)械手模型Fig.1 Model of automatic tool changer manipulator

在圖1的三維模型中，卡刀軸與換刀臂之間存在一個(gè)彈簧，在工作過程中，換刀機(jī)械手中軸帶動(dòng)換刀臂旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，刀柄和卡刀軸接觸，卡刀軸受力，沿軸的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)侗耆坏蹲ψプr(shí)，卡刀軸受到彈簧的力彈起，固定住刀柄，然后刀柄隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)至另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)換刀。具體換刀過程為：接到換刀指令后，刀庫(kù)將待換刀具轉(zhuǎn)到指定換刀位置，機(jī)械手在升降液壓缸的作用下到達(dá)待機(jī)位置。換刀臂在轉(zhuǎn)位液壓缸的作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，兩個(gè)手爪分別抓住刀庫(kù)和主軸上的刀柄。刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具，換刀臂下降，同時(shí)將兩把刀具拉出。換刀臂旋轉(zhuǎn)180°使刀庫(kù)刀具與主軸刀具彼此交換位置。機(jī)械手上升，將刀具分別插入主軸刀庫(kù)和錐孔內(nèi)，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)將刀具進(jìn)行夾緊。機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，回到原始位置。

2 機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量，建立優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，從而求出最優(yōu)解。在換刀機(jī)械手的高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，影響其換刀性能的主要因素是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此如何減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響顯得尤為重要，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小不僅和物體的質(zhì)量有關(guān)，還與機(jī)械手的形狀密切相關(guān)。它可以對(duì)機(jī)械手的整個(gè)夾持部分和臂架進(jìn)行優(yōu)化，這樣不僅可以找到機(jī)械手在換刀過程中的參數(shù)性能要求，而且可以找到機(jī)械手夾持部分結(jié)構(gòu)的合理布局，最終達(dá)到降低機(jī)械手質(zhì)量的目的。

2.1 建立有限元模型并進(jìn)行靜力學(xué)分析

由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且是裝配體，可適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，將SolidWorks模型導(dǎo)人ANSYS Workbench中并定義材料屬性，手臂和卡爪均采用45 號(hào)鋼，其主要力學(xué)性能為：彈性模量為209GPa；泊松比為0.269；密度為7890kg/m3。軟件可自動(dòng)劃分網(wǎng)格，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，以頂座為固定端施加約束，由于外力只有抓刀時(shí)刀具的重力，查表可得常用刀具重量為10kg，故簡(jiǎn)化為100N 的兩個(gè)力，對(duì)受力區(qū)域分別施加。然后對(duì)機(jī)械手的總變形和總應(yīng)力進(jìn)行求解，從而得到具體的分析結(jié)果如圖2 和圖3 所示，由結(jié)果可知，其受力情況良好，變形較小。

由材料力學(xué)知識(shí)可知，應(yīng)力集中和應(yīng)變問題通常出現(xiàn)在材料厚度銳變區(qū)域，越往固定端越大，考慮到有時(shí)需要加載重刀的情況，如果將載荷增加到500N，由圖4和圖5可知，機(jī)械手應(yīng)力集中問題較為嚴(yán)重。為考慮安全性，可將機(jī)械手薄弱環(huán)節(jié)即卡爪與手臂連接部位加厚。

圖2 夾持輕刀應(yīng)力圖Fig.2 Stress diagram of clamping light knife

圖3 夾持輕刀應(yīng)變圖Fig.3 Clamping light knife strain diagram

圖4 夾持重刀應(yīng)力圖Fig.4 clamping heavy knife stress diagram

圖5 夾持重刀應(yīng)變圖Fig.5 Clamping heavy knife strain diagram

2.2 機(jī)械手的拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。ANSYS Workbench 中的Shape optimization模塊可以直接完成拓?fù)鋬?yōu)化工作。以質(zhì)量減少15%為條件，以機(jī)械手卡爪和手臂為優(yōu)化對(duì)象，然后根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)機(jī)械手模型施加與靜力學(xué)相同的約束和載荷條件，得到的分析結(jié)果如圖6和圖7所示。借助軟件的質(zhì)量屬性功能，對(duì)比拓?fù)鋬?yōu)化前后參數(shù)的變化，可知最大變形從0.02641mm變到了0.02289mm。質(zhì)量由原來的7.142kg下降到了現(xiàn)在的6.027kg。最大應(yīng)力亦遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，滿足要求。

圖6 優(yōu)化后的應(yīng)力圖Fig.6 Optimized stress diagram

圖7 優(yōu)化后的應(yīng)變圖Fig.7 Optimized strain diagram

3 結(jié)語

1）根據(jù)某加工中心的實(shí)際情況，在SolidWorks環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了建模，利用ANSYS 軟件找出了原結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行了改進(jìn)。

2）對(duì)卡爪和手臂整體進(jìn)行優(yōu)化，相比之前的重量有明顯下降，保證了材料的利用率和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，質(zhì)量的下降也導(dǎo)致了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，為實(shí)現(xiàn)換刀過程快速穩(wěn)定提供了理論依據(jù)。

3）但仍需進(jìn)一步研究換刀過程的可靠性問題，從而實(shí)現(xiàn)換刀過程的平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速。