采用机器人上下料的轮毂夹具设计与分析
2024-7-4 来源： 四川九洲电器集团有限责任公司 作者： 明涛 李剑
【摘要】: 工业机器人越来越多的应用到智能制造领域，最典型的应用之一就是配合数控机床实现机床自动上下料，从而实现一定程度的无人值守，提高生产效率，降低人工成本。结合实际情况，本文首先对机器人进行了选型，然后对夹具进行设计和分析，为系统制造提供依据。
机器人技术是机械、电子、软件等多学科交叉融合的新技术，不仅是工科领域最具代表性的前沿交叉学科之一，也是我国重点发展战略领域之一，随着我国科技的不断进步和制造业的不断升级，采用工业机器人代替人工生产，实现自动化、无人化、智能化，可以有效降低企业生产成本，提高经济效益。本文在选定成熟机器人的基础上，针对零件具体情况，设计合适的夹具以实现整个机器人上下料系统的功能。本文采用 SolidWorks软件进行夹具的设计和分析，SolidWorks 是世界知名的三维设计软件，功能强大，集设计、仿真、渲染等功能于一体，能够方便快捷实现产品设计跟优化。
1. 机器人上下料系统整体设计
如图 1 所示，数控车加工中心为主体设备，机器人放置在车床正前方，机器人左侧可设置传送线用于待加工零件的来料，机器人右侧可设置传送线用于已加工零件的走料。机器人跟车床之间通常需要留有约 1 米的间距，如果机器人出现故障，可临时沿用传统的人工吊装等方式实现上下料，不耽误生产。
图 1 机器人上下料系统整体
2. 工业机器人
工业机器人根据用途有不同的类型可以选择，本文中上下料需要机器人有更多的自由度，因此本文选择六自由度机器人。由于零件重量为46kg，夹具重量假设跟零件重量相当，则机器人末端负载约 100kg。考虑机器人高速运动带来的额外负载以及价格因素，本文选用四大家族之一的安川 GP110 机器人。安川作为机器人品牌全球四大家族之一，其产品性能稳定可靠，功能强大。该款机器人运动半径高达 2236mm，具体技术参数如图 2 所示。
图 2 机器人主要技术参数
3. 夹具设计
夹具作为系统的主要部件之一，在设计的时候需要确保其稳定可靠。首先，需要分析被夹持工件的特点，被夹持的工件是回转件，其材料为铝合金，其重量约 46kg，夹持的时候不能损伤工件表面。其次，分析夹持要求，夹持的时候需要同时考虑夹持和定位，工件被定位后才能准确抓取到机床上?；谏鲜鎏跫芯叩墓瓜敕桨溉缤?3 所示，夹具具备两个夹持板，夹持板上设置 2 个能够滚转的轮子用于夹持过程中工件跟夹具实现自适应定心。同时，夹持板能够在夹具基座上相对滑动，并且需要保持一定的刚性。
图 3 夹具方案
加工生产，效率是非常重要的因素之一，为了提高夹持响应，本文采用连杆驱动的方式，驱动夹持板的夹持和松开动作。同时，为了实现夹持定心，则需要两个夹持板能够绕夹具中心同步夹持和张开。为此，连杆采用中心对称的双曲柄滑块机构实现。夹具上的两个夹持板即为机构对应的滑块，如图 4 所示。
图 4 双曲柄滑块机构
4. 夹具计算及分析
（1）驱动电机计算及选择
图 5 连杆尺寸
如图 5 所示，驱动轴旋转带动曲柄旋转，曲柄带动连杆拉动滑块运动，在图示处实现夹具对轮毂的夹持，此时曲柄垂直连杆，输出力最大。
分析连杆受到的拉力，乘上一定的安全系数就能得到驱动轴所需要的扭矩，在图 5 所示状态下，下连杆受到的拉力最大，为一侧夹持板及滑持板、滑块、工件的重力合计约 550N。注意到，上夹持板及滑块的重力同样通过上连杆作用到驱动轴上，因此还需要增加上夹持板及滑块的重力约 90N，作用在驱动轴上的重力总共约 640N。则驱动轴需要的扭矩为
取 2 倍安全系数则驱动轴需要的扭矩约93N · m。假设夹持过程需要耗时 1s，夹持过程驱动轴需要旋转 60°。则驱动轴所需转速为 10r/min。电机所需要功率如下 :
考虑后期提速并且保留更多余量，电机选用松下 200W 伺服电机，配置速比 150 的减速机。电机及参数如图 6 所示。
图 6 伺服电机及参数
（2）直线导轨的选择
根据上文中计算，直线导轨主要需满足扭矩需求，为确保夹具刚性，直线导轨在 100N·m扭矩基础上再取一定安全系数选择 IAS23-H42-L600 型直线导轨，其行走方向扭矩高达550N · m。具体参数如图 7 所示。
图 7 直线导轨参数
（3）夹持板仿真
仿真采用三维软件自带插件 ——Simulation，Simulation 是 SolidWorks 公司推出的一套有限元分析软件。它作为嵌入式分析软件与 SolidWorks 无缝集成，运用simulation，普通工程师就可以进行工程分析并可以迅速得到分析结果。
夹具的导轨有具体的参数指标，而且按照很高的安全系数选取，因此不需要担心性能。夹持板为关键零件且为自制件，需对其进行仿真分析，上下两个夹持板完全对称，因此，对一侧夹持板分析即可。
对需要仿真的模型参数进行设定，确定零件实际受力方式，如图 8 所示。夹持板底座固定在导轨滑块上，两处安装滚轮的夹持轴孔受到夹持的反作用力。因此，设定夹持板底座为固定，设定夹持轴孔受力，根据角度分布，其合力为工件的重力 460N，取一定安全系数，取每个夹持孔受力大小为 300N，方向垂直圆弧切面且反向指向圆心。
图 8 夹持板参数设定
准备好模型后，对其进行网格划分，如图9 所示。
图 9 夹持板网格划分
网格划分好后就可以开始仿真，仿真结果如图 10、图 11 所示。可以看到，夹持板的强度和刚性均满足要求。
图 10 夹持板强度仿真结果
图 11 夹持板刚度仿真结果
5．结论
本研究通过 SolidWorks 绘制夹具的三维模型，并且通过计算和仿真确定了夹具的器件及关键自制件满足设计要求，为机器人自动上下料系统的夹具制作及系统制作提供了理论依据，为用户提供一种基于三维建模的快速夹具设计环境。
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