基于solidworks的機(jī)械手吸盤設(shè)計(jì)與仿真

基于solidworks的機(jī)械手吸盤設(shè)計(jì)與仿真

隨著機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的功能變得更加強(qiáng)大和靈活。最后，結(jié)合不同行業(yè)的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)和具體控制程序，我們可以執(zhí)行機(jī)械手代替手工完成一些固定動(dòng)作，例如檢查和搬運(yùn)，這樣可以消除不良的工作環(huán)境和復(fù)雜的工作。近幾年,工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格在下降,而工人的勞動(dòng)成本在不斷地攀升,因此,各個(gè)行業(yè)都在開發(fā)適合加工產(chǎn)品的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化,降低產(chǎn)品的成本。平板玻璃行業(yè)在我國是一個(gè)較大的行業(yè),目前我國有300多條平板玻璃生產(chǎn)線,年產(chǎn)量占到了世界產(chǎn)量的三分之二,但原片玻璃板從平板玻璃生產(chǎn)線上搬下放在玻璃架上,這種簡(jiǎn)單而勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作,在我國主要還靠人工來完成,因此,研究和開發(fā)一種機(jī)械手堆垛機(jī)代替人工堆垛十分必要。機(jī)械手堆垛機(jī)主要由兩部分組成:六自由度的工業(yè)機(jī)器人和裝在其末端的機(jī)械手吸盤。1機(jī)械手盤垛機(jī)控制裝置機(jī)械手堆垛機(jī)安裝在平板玻璃生產(chǎn)線的兩側(cè),根據(jù)原片玻璃板在平板玻璃生產(chǎn)線上的運(yùn)行狀況,抓取正在生產(chǎn)線上運(yùn)行的玻璃板,按照堆垛的要求,放到指定的玻璃架上。主要的動(dòng)作流程是:機(jī)械手吸盤向下抓取玻璃板并提升,然后由工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)機(jī)械手吸盤把玻璃板移動(dòng)到玻璃架上方,并變換機(jī)械手吸盤的位姿到預(yù)定的位置,準(zhǔn)確地放在玻璃架上。機(jī)械手吸盤是機(jī)械手堆垛機(jī)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu),是用來抓取原片玻璃板的吸取裝置,根據(jù)原片玻璃板表面平整度高和有一定硬度的特點(diǎn),機(jī)械手吸盤的吸取裝置采用了氣動(dòng)的真空吸盤,即在吸盤貼近玻璃的瞬間,由真空發(fā)生器吸取吸盤中的空氣,使吸盤內(nèi)部產(chǎn)生真空,這樣就在玻璃板的上下面之間形成了壓差,靠壓差產(chǎn)生的向上浮力來抓取玻璃板,吸盤原理如圖1所示。真空發(fā)生器是一種利用供應(yīng)口的高壓氣體,通過細(xì)小的噴嘴,噴嘴因節(jié)流的作用,氣體流以較高的速度沖向擴(kuò)散室,并在其中膨脹、擴(kuò)散,流向擴(kuò)壓器。由于氣體有一定的黏性,當(dāng)高速氣體流過時(shí),帶走了一部分?jǐn)U壓器中的氣體,致使擴(kuò)壓器內(nèi)壓力下降,真空口(連接的吸盤內(nèi))的氣體因壓差作用流向擴(kuò)壓器,致使真空口形成一定的真空度,從而在被吸物體的上下面(在吸盤區(qū)域內(nèi))產(chǎn)生一定的壓力差,進(jìn)而產(chǎn)生吸力,如圖2所示。2機(jī)械手的三維建模機(jī)械手吸盤在進(jìn)行設(shè)計(jì)建模之前,要確定主要標(biāo)準(zhǔn)件,如真空吸盤、真空發(fā)生器,并根據(jù)其相關(guān)參數(shù)作正確的選型。2.1真空壓的計(jì)算真空發(fā)生器的主要參數(shù)是吸盤需要的真空度和供應(yīng)口所需要的壓力,因真空發(fā)生器噴嘴直徑不同、結(jié)構(gòu)不同,故供應(yīng)口提供的壓力不同,其所對(duì)應(yīng)的真空度也不同。在平板玻璃的生產(chǎn)線上,所用的氣體壓力一般在0.5MPa,但氣源一般在生產(chǎn)線的前端,而此設(shè)備在生產(chǎn)線的末端,距離較遠(yuǎn),壓力損失較嚴(yán)重,如果沒有二次增壓裝置,到機(jī)械手吸盤處,壓力一般在0.4MPa左右。根據(jù)所要抓取玻璃的規(guī)格及所用吸盤的數(shù)量,粗略估算一下吸盤所需的真空壓力值,再結(jié)合真空發(fā)生器的噴嘴標(biāo)準(zhǔn)系列,綜合考慮后,選用φ3噴嘴能滿足使用要求。供應(yīng)口所需壓力為0.35MPa,所產(chǎn)生的真空壓力為50kPa,選用SMC公司的產(chǎn)品,型號(hào)為ZB0311Q15LBP1C4的真空發(fā)生器。準(zhǔn)3噴嘴在0.35MPa時(shí)的排氣特性和流量特性如圖3所示。2.2普通真空盤盤真空吸盤的主要參數(shù)為吸盤的真空壓力及吸盤直徑,但在選型時(shí)也要兼顧吸盤的工作狀況。在本次設(shè)計(jì)中,以采用最常用2440mm×1830mm×6mm規(guī)格的原片玻璃板為例,其質(zhì)量約為109.8kg,根據(jù)吸附力F≥mg=W,即可求出吸盤的直徑D:式中:P為真空壓力,kPa;W為所要吸取的玻璃板的重量,N;T為吸盤個(gè)數(shù);n為安全系數(shù),一般取4~6。真空壓力P取50kPa,n取6,代入式(1),即可求出吸盤的直徑,結(jié)合樣本的標(biāo)準(zhǔn)系列,取D=100mm。真空吸盤是一種常用的真空器材,吸盤在選型時(shí),還需考慮吸盤所吸取物體的材料、表面質(zhì)量、工作環(huán)境、吸盤與被吸物體的接觸形式、摩擦因數(shù)及被吸物體的質(zhì)量等一系列因素。在本設(shè)計(jì)中吸取的物體是平板玻璃板,表面質(zhì)量較好,有較大的硬度,工作環(huán)境是常溫、少油,綜合以上各種因素,最終選擇了材料為NBR橡膠、帶有彈簧緩沖、直徑為100mm、接口為螺紋接口的SMC公司的產(chǎn)品,型號(hào)為ZPT100HSB12的真空吸盤。2.3鋁合金異形件在三維建模中的應(yīng)用機(jī)械手吸盤是機(jī)械手堆垛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端,因此,要求機(jī)械手吸盤的質(zhì)量要越小越好。在本次設(shè)計(jì)中,機(jī)械手吸盤的框架未采用以前常用的碳鋼材料,而采用8040型號(hào)的鋁合金型材,這種型材在力學(xué)性能上比普通碳鋼型材稍差,但其質(zhì)量卻不到普通碳鋼型材的一半,同時(shí)還具有韌性好、強(qiáng)度高、外表光滑美觀、使用壽命長等特點(diǎn);在加工方面,采用此種材料不用焊接,機(jī)加工件少,組裝簡(jiǎn)單,省時(shí)省力,制造周期短。在三維建模時(shí),使用了目前工程中常用的SolidWorks軟件,此軟件不僅易學(xué)易用,建模功能強(qiáng)大,而且還有一定的分析功能插件Simulation,能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜力分析和動(dòng)特性分析。建立的機(jī)械手吸盤模型如圖4所示。3機(jī)械手盤的有限元分析對(duì)機(jī)械手吸盤進(jìn)行靜力學(xué)分析,首先要對(duì)其三維模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)點(diǎn)和線條組成的有限元模型,并進(jìn)行簡(jiǎn)化,將結(jié)構(gòu)中部分微小的特征如倒角、圓角等刪除。在本次分析中,由于設(shè)計(jì)時(shí)采用了鋁合金型材,選型時(shí)綜合考慮了力學(xué)性能、連接性能、外形等各方面的最優(yōu),所選鋁合金型材的截面有較多的圓角和薄壁筋板,所以在轉(zhuǎn)化為有限元模型劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)了問題,無法進(jìn)行劃分。再次對(duì)其簡(jiǎn)化時(shí),采用具有相同截面屬性(相同慣性矩、相同外形、相近質(zhì)量)的矩形管代替鋁合金型材。用SolidWorks2013軟件打開機(jī)械手吸盤模型,打開Simulation插件,選擇靜應(yīng)力分析,吸盤的材料選為橡膠,其余實(shí)體的材料采用鋁合金6063,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖5所示,該有限元模型有97531個(gè)節(jié)點(diǎn),52690個(gè)單元,連接采用全局接觸,夾具與工業(yè)機(jī)器人末端的圓面固定連接,在孔處添加螺栓連接,外部載荷在吸盤的末端加載向下的70N載荷,同時(shí)加載引力,加速度定為9.81m/s2,方向也向下,所有加載完畢后選擇運(yùn)行。查看結(jié)果,即可得到機(jī)械手吸盤的應(yīng)力分布云圖(圖6)、機(jī)械手吸盤的位移云圖(圖7)、機(jī)械手吸盤的應(yīng)變?cè)茍D(圖8)。由圖6~圖8可知,最大應(yīng)力發(fā)生在上面板與兩個(gè)橫著的型材連接處,應(yīng)力為2.13MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限62MPa,最大位移量發(fā)生在兩端最外側(cè)縱梁上,最大位移量為0.17mm。對(duì)于2.5m×1.8m的玻璃板來說,這個(gè)變形量完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。4機(jī)械手分揀固有頻率在SolidWorks軟件下,打開Simulation插件,新建算例:選擇頻率分析,除不用加載載荷外,其余的和靜力學(xué)分析一樣,即可得出機(jī)械手吸盤的固有頻率,如圖9所示。由圖可以看出,機(jī)械手吸盤的一階頻率為35.227Hz,最大周期是0.028s,而對(duì)于平板玻璃生產(chǎn)線上,平板玻璃板的堆垛周期一般是在10s左右,而且一條生產(chǎn)線上往往布置多臺(tái)堆垛機(jī)同時(shí)工作,所以機(jī)械手吸盤的工作周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)械手吸盤的固有頻率,不會(huì)發(fā)生共振。因此,本設(shè)計(jì)是滿足要求的。5模態(tài)分析結(jié)果本文利用SolidWorks軟件,對(duì)機(jī)械手吸盤進(jìn)行了三維的設(shè)計(jì)建模,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,進(jìn)行了加載約束,對(duì)其進(jìn)行了有