雙電磁吸盤上下料機械手結構設計與仿真分析*

田永慶

（徐州開放大學，江蘇 徐州 221000）

機械手上下料的優勢主要有降低人工成本，有效提高工業生產效率與產品的質量水平。傳統的人工上下料無法滿足市場需求，因此，將上下料機械手有效應用于生產制造中具有積極的意義。通過設計組合式的電磁吸盤的方式，能夠實現兩個電磁吸盤的對稱安裝，提高機械手爪的可調節程度。

1 雙電磁吸盤機械手爪結構設計

1.1 手爪結構設計

手爪在機械手中的作用主要是抓取零件。雙電磁吸盤機械手爪作為圓管與支架的工具，擁有兩個功能、結構一致的電磁吸盤，其中，絲杠的兩端分別有兩個相同的電磁吸盤。電磁吸盤之間的距離能夠通過有效調節絲杠完成，在抓取長度不同的工件時具有積極的作用。

1.2 電磁吸盤結構設計

支架與圓管組成防撞梁，電磁吸盤的設計在抓取圓管的基礎上，對支架進行合理的抓取，能夠提高其利用效率。除此之外，電磁吸盤的形狀和尺寸也能夠通過合理測量被吸取對象后進行科學設計。一般來說，平面吸盤可以有效夾取支架，但在具體應用中存在一定的缺陷，所以，通過設計吸取支架和圓管的弧面組合式電磁吸盤為最佳選擇。弧面組合式電磁吸盤的主要構成有平面磁吸面、弧面磁吸面、鐵芯、隔磁板以及外殼等。其中，鐵芯的長寬高由比例為3∶2∶5的金屬導磁材料制作而成，平面磁吸面的鐵芯長寬高由比例為3∶3∶5的金屬導磁材料制作而成。與此同時，線圈纏繞在鐵芯的外部，磁吸面以及磁路導體分別都存在磁軛。線圈在電磁吸盤上通電后，磁吸頭和工件能夠在磁力線作用下有效形成閉合的回路。工件穩定后，電磁鐵在斷電后可使磁力線消失。依據磁通的連續性原理可知，當材料磁通密度較大時，材料的使用量較少，其矯頑力也較小，當斷電后，材料所剩的磁也越少，此時工件越易卸載。因此，將吸盤以長寬高2∶1∶1的比例制成為最佳[1]。

1.3 電磁吸盤力學特征

通常情況下裝夾臺與放料臺的高度并不相同，因此，為防止手爪在搬運中與裝夾臺相撞，需要將手爪位置在吸取圓管或支架時，直接從豎直到水平位置即可，保持手爪進行圓周運動，所產生的向心力使工件受力也發生一定的變化。通過支架受力Fm支=2Fm1以及圓管受力分析可知，吸取支架總吸力不得小于9.5 N，為避免兩片支架被同時吸起，電磁吸力不得大于14.8 N。因此，總電磁吸力在吸取圓管時的吸力不得小于28.2 N，同時不得超過45.6 N。每一個電磁吸盤的吸力范圍在14.2 N～23.65 N為宜。當支架與圓管連接后需要同時吸起下料時，首先應克服防撞梁的重量，由上述計算得出，手爪總電磁吸力范圍在26.89 N～43.26 N之間為宜。為此，在設計過程中，應該將其作為標準，以此來規避手爪與裝夾臺碰撞的問題。

2 上下料機械手本體設計分析

2.1 系統布局及工作

傳統的汽車防撞梁需要手動上下料，使支架與圓管焊接有效地連接在一起，如圖1所示。但該方式效率較低，無法適應現代化的市場需求，因此，應對機械手進行有效改進，使其自動化能力增強，從而實現智能化的上下料。對于機械加工車間來說，最重要的是對人、設備以及加工零件進行合理、科學布局，從而降低物料搬運時間，縮小加工零件周期，有效提高生產效率。上下料機械手的工作過程主要包括上料、焊接以及下料的過程。焊接支架與圓管前，機械手運動到盛放支架箱體的上方，當平面吸盤得到電充磁后，機械手的末端執行器可以從支架箱中獲得，在機械手通過旋轉90°后，將機械手的末端執行器從支架箱體中獲得，至此，將全部完成支架吸取的工作。在進行支架的搬運時，通過合理操作機械手的方式，使其從末端支架到達裝夾臺，利用3個平面將其固定，圓管箱體放置到裝夾臺上方居中位置能夠使得圓管進行有效的搬運過程。焊接機械手獲得信號將圓管與支架焊接在一起后，回到原位實現焊接支架和圓管的有效焊接工作。

圖 1 汽車配件生產廠現狀

2.2 機械手本體結構設計

2.2.1 機械手本體結構形式及選用

通常情況下的機械手可分為直角、球形、圓柱以及關節型坐標形式。直角坐標式機械手如圖2所示，其優勢在于結構簡單，不同關節的剛度大且能獨立運動，軌跡也較為簡單，但也存在一定的弊端，即柔性空間較小，操作煩瑣且速度較低。圓柱式坐標由兩個移動的關節與一個旋轉關節構成，手臂的軸線與機身的軸線相互垂直，其中，手臂軸線可圍繞機身軸線進行回轉與上下移動。其優勢在于占地空間小、工作的空間大且機械較為緊湊，但存在防護難等問題。球坐標式由垂直的旋轉關節與移動關節組成，在手部的末端能夠有效形成最大軌跡的球面，優勢為工作的空間較大且所占用的面積較小，但仍存在一定的問題，即該設備的剛度、精準程度較低，在進行關節移動時極易出現腐蝕等現象。關節式坐標由3個旋轉坐標組成，第一個關節軸線是豎直方向，另外兩個是水平方向，呈現回擺運動。其中，手臂末端運動為圓球狀，優勢在于結構緊湊且動作靈活，工作空間較大。該機械手為現階段應用最為廣泛的結構形式[2]。

圖 2 直角坐標式機械手

2.2.2 確定上下料機械手的參數

機械手在上下料的過程中，關節參數數據由裝夾臺高度決定，大臂關節、小臂關節以及腰關節的運動是為了實現機械手上下料的位置需求，因此該運動為主運動。腕關節的運動是為了有效調整手爪的狀態，因此基座高度通常和裝夾臺位置有關。通常情況下裝夾臺的長度為2 200 mm，寬度為550 mm，高度為850 mm，手部和手爪長度在450 mm左右，腕部長度為750 mm，小臂長度為480 mm，大臂長度為620 mm，底座長度為520 mm。機械手回轉是在腰部關節位置，其擺動則由大臂關節和小臂實現，另外，回轉時腕部和手部關節也同時進行操作，上述相關關節操作共同組成了6個關節位置。

機械手結構的設計過程中，應在對被抓取對象的重量進行合理掌握后對其力進行科學計算，對手爪結構進行規劃與設計。另外，對機械手的設計應重視材料的選擇，不同的材料對機械手的影響程度不同。因此，應從以下幾個方面進行綜合考量：1）強度與剛度。較高的強度與剛度為機械手提供了較大的抓力，此時，盡管工件具有一定的重量，但定位能力較強，提高了機械手的精確程度。2）重量輕。機械手臂在工作狀態下仍保持平穩的運動速度，降低重量能夠有效提高機械手的平穩運行能力。3）彈性模量大。彈性模量的大小對變形有較大的影響，應予以重視[3]。

2.3 機械手機身結構設計

底座右端為基座電機，電機輸出端為聯軸器和齒輪等，利用錐齒輪使動力有效輸送到腰部。大臂和小臂的電機都在設備的內部位置，若大臂發生旋轉，相關的減速器能夠幫助其達到降速目的。小臂電機處于大臂中間，帶輪能夠借助皮帶使動力傳送到下一個關節中。為有效降低手腕部的重量，通常將手部電機與腕部電機設置在小臂的前端。

2.4 手腕選型及結構設計

2.4.1 手腕結構類型

一般來說，手腕主要有兩種形式，即球形手腕與非球形手腕。其中，球形手腕擁有結構緊湊的優點，同時其逆運動的分析也較為便捷，但受到工作空間小和靈活度差的影響。非球形手腕的優勢在于結構相對緊湊、工作空間較大，但逆運動學的計算過程較為煩瑣和復雜。處于工作時期的機械手靈活程度不高，只需滿足手爪符合上下料要求即可。正交球形的手腕在能夠在滿足上述要求的基礎上，具有結構簡單、運動學求解計算較低的優勢[4]。

2.4.2 手腕機械結構設計

手腕的腕部與小臂為實現回轉自由度，可利用錐齒輪嚙合形成。其機械手部能夠通過安裝軸承、齒輪等方式，合理連接后進行擺動，使手部的內部軸回轉。

2.4.3 手腕傳動方案

手腕的3個關節須由3個電機進行驅動，都需安裝在小臂的前端。小臂內部的伺服電機能夠有效利用RV減速器減速實現直齒輪嚙合，確保腕部能夠回轉運動；伺服電機通過直齒輪嚙合將動力有效傳遞給軸后，借助錐齒輪嚙合傳送給皮帶輪，幫助手部進行擺動以及回轉運動。

2.5 機械結構驗證

上料、焊接以及下料等共同構成了機械手的上下料過程。坐標系的建立是以機械手基座為原點，分別測量出上料點和下料點，同時將點位的坐標代入到相關界面中。機械手的關節角能夠通過將機械手取料、落料點放入相關界面后獲得。與此同時，當取料和落料時，機械手的關節角度都需要準確到達極限角之中，使得機械手能夠到達任意取料點與落料點中，若機械結構以及桿件參數無任何問題，則不需要進行任何操作的修改，但仍受最優解的影響。當機械手到達取料點與落料點時，無法持續獲得最優解，因此，不同關節能夠獲得的最優解需要依據自身的關節角度進行有效選取。

3 動力學仿真設計

將建好的三維模型導入Adams中，利用增加初始化條件的方式，判斷其自由度的大小是否為0，當為0時可進行動力學的仿真，否則需要嚴格檢查初始條件。點擊仿真按鈕后，上下料的機械手在此過程中運動穩定，未出現卡死的問題，代表仿真成功，可繼續點擊處理并選擇曲線的繪制方式；當在仿真時出現卡死現象時，則表明機械的仿真并未成功。此時，應對系統模型進行仔細檢查，找出問題并及時做出修改后再次進行仿真，確保仿真結果的真實與可靠。

首先，應進行機械手模型的簡化工作，將螺栓等部件有效去除等；其次，對三維機械手模型的不同關節部件進行重新命名后添加相關的材料，有效計算出部件的質量與慣性矩；最后，分別添加約束、摩擦、驅動以及負載等。對于仿真后的處理，為使機械手的動作符合操作要求，在進行處理模塊時，應加強對關節力矩、角速度等繪制相應的變化曲線。通常情況下，機械手上下料的過程主要分為以下幾個環節：1）準備過程。機械手臂在0～5 s時會下降，在其末端可以降低位置直到降到放料臺上方即可。2）工件的吸取。第5 s～8 s時，末端的位置一般在不發生改變的同時將工件吸起。3）搬運過程。第8 s～12 s時，手部與工件同時抬起，第13 s～16 s腰部轉動后小臂抬起，機械手的末端會到達裝夾臺的上方。在第16 s～ 18 s時，手部轉為豎直的狀態。4）裝夾工件過程。在第18 s～22 s時，工件放置在裝夾臺并夾緊后完成工件焊接。5）工件搬運過程。在第22 s～27 s時，機械手的末端將工件吸起并將手腕抬起，轉動腰部后，工件能夠被有效搬運到防撞梁箱體中。

4 結論

上下料機械手是工業機械手的一種，其性能不斷提高，為降低使用成本，通過設計平面和弧面磁吸面組合式的電磁吸盤，能夠有效解決上下料浪費時間、效率低下的問題。在原有兩手爪交互式上下料的基礎上，簡化了上下料過程，縮短了上下料的時間，提高了上下料的效率。該電磁吸盤的應用范圍也更加廣泛，更具實用性，有助于推動行業的可持續發展。