华明明 王文成 石岩 张铁壁

1、河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心 2、沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心3、河北科技师范学院 4、河北水利电力学院

引言

工业机械手现已广泛应用在汽车、电子、半导体等行业的生产线上，已经成为自动化生产线上的重要组成部分[1,2]。机械手在生产线上有显著的优势，然而机械手在玻璃行业的应用较少，磨边机的生产线自动化程度低，使用人工加工上下片玻璃，生产效率低，危险较高[3,4]。本论文设计的机械手可以自动完成上下料任务，快速定位，自动检测，与磨边机的对接方便稳定，提高了磨边机的工作效率，代替人工，降低成本。

1 整体布局结构设计

根据平板玻璃输送的工况要求，设计的机械手自动上下玻璃系统总体布局方案如图1 所示，其主要由执行机构（抓取机构和翻转机构）、平移机构、传送机构、底架四部分组成。机械手的工作流程如下：抓取机构通过吸盘真空抓取待加工玻璃，然后经过平移、翻转动作把待加工玻璃放到传送机构上，传送机构把玻璃准确送到磨边机进行加工，加工完成的玻璃经过传送机构、平移机构、执行机构放到指定位置。

图1 总体布局方案示意图

2 执行机构的结构设计

执行机构作为机械手的重要组成部分，是机械手完成指定动作的关键。机械手工作过程中，执行机构完成平移、翻转、抓取玻璃动作，最后放到传送机构上。执行机构结构图如图2 所示，其主要由大臂、小臂、翻转架、轴承法兰、轴、鱼眼接头、吸盘、真空发生器、双层吸盘架组成。

图2 执行机构结构图

3 基于Solidworks/Motion 的执行机构动力学分析

3.1 仿真模型创建

执行机构中形成的四杆机构是机械手的重要零部件，通过三维建模，并用Solidworks Motion 插件分析运动过程中四杆机构各支点的反作用力。首先对三维模型进行简化，对各个零件进行材料指定，在大臂处添加旋转马达，使用数据点定义马达，旋转角度随时间变化，0 秒到3 秒翻转升，3 秒到6 秒翻转降，然后添加竖直向下的引力，在吸盘架处添加竖直向下1000N 的力，均匀分布在吸盘架的表面，设定运动的时间为6s，从吸玻璃到放玻璃，即翻转的整个过程，进行求解，得到四杆机构各支点的反作用力随时间变化的曲线，如图3 所示。

图3 各支点反作用力随时间变化曲线

3.2 受力最大时大臂应力仿真分析

通过对四杆机构各支点作用力和执行机构的结构分析，可以得知在3 秒时，机构受力最大，大臂是整体薄弱的零部件，使用刚柔耦合分析的方法，分析大臂在2.99 秒到3.01 秒运动过程所受到的应力、位移变化，应力和位移云图如图4 及图5 所示。

图4 应力云图

图5 位移云图

3.3 仿真结果分析

3 秒时，该执行机构和玻璃垂直于地面，此时四杆机构受力最大，分析该位置时大臂处应力云图可以得到，最大应力分布在大臂与轴和大臂与小臂铰接处，为1.308×108N/m2，使用的材料为普通碳钢，其最大屈服力为2.206×108N/m2，结构强度设计满足要求，由位移云图可得，最大变形量为1.95mm，对整个大臂结构几乎没有影响，所以设计符合要求。

4 结论

设计了机械手结构并对其执行机构进行了动力学分析，结果表明，设计的机械手执行机构动作符合要求，通过仿真分析，执行机构处于3 秒时，其各部件受力最大，其中大臂受力最大，使用刚柔耦合分析的方法，得出大臂的应力云图，数据表明，结构符合设计要求。