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工业机械手-搬运码垛龙门式机械手设计及关键零件的动静特性分析

发布日期:2020-04-22

作者:李远强

摘要:为减轻工人的劳动强度,降低劳动成本,提高企业的工作效率,进一步减少工人的操作难度,开发设计一种搬运码垛龙门式机械手。介绍龙门式机械手的机械手架体、行走部分、治具部分、PLC控制系统和人机交互界面等结构和其功能。通过SolidWorks创建三维模型,采用ANSYS workbench进行分析,为更好地体现龙门式机械手的性能和安全度,在不稳定工况情况下,对龙门机械手架体部分进行静力学分析和模态分析,了解架体部分的强度以及振动情况,证明了所设计的机械手符合实际使用要求。

       随着汽车工业和活塞工业的不断发展,各活塞企业大力发展相应的智能装备,减轻工人的劳动强度,降低劳动力成本。活塞一般加工生产过程中放置在料框中进行运输和存放,而整框活塞重量较重。使用叉车等装卸设备费时费力,工作效率低,给活塞进出库管理带来很大困扰。活塞搬运码垛作为活塞加工生产过程中一个不可或缺的环节,如何解决生产过程中活塞搬运码垛困难,并降低工人的劳动强度,对企业来说是亟需解决的问题 。为解决活塞搬运码垛困难的问题,龙门式工业机械手应运而生。龙门式工业机械手可在有毒、有害、危险的环境中工作,如喷漆与焊接等环境;同时,也可代替工人完成单调、频繁、重复性的高强度体力劳动,比如搬运上下料、码垛等 。

活塞搬运码垛龙门机械手

1龙门机械手主要结构及功能

      龙门式机械手主要结构包括机械手架体、行走部分、治具部分、PLC控制系统和人机交互界面等,如图1所示 。活塞龙门式机械手的主要功能是将待加工的毛坯料放在龙门库中暂存,优先选择将同种规格活塞按照每四框一垛,暂存在龙门库中。生产线需要某种规格型号的
活塞时,加工人员发送指令给龙门库管理系统,系统将指令传送给龙门机械手,龙门机械手抓取指定规格活塞放置在AGV小车上,AGV小车将活塞运送到待加工位。龙门机械手通过伺服控制,可实现纵向、横向、上下等各个方向的运动,可在活塞存储空间内抓取活塞料框后,放置在龙门库机械手行程内的指定位置内,实现活塞生产加工的自动化。龙门机械手各轴运动机构均采用伺服电机与减速机驱动,利用伺服控制。龙门机械手在工作过程中,灵活快速的搬运和精准的控制体系,能够实现对活塞料框的即时控制。


(1)机械手架体。

       机械手架体由立柱、纵梁和传动部分组成。立柱和纵梁均采用优质型钢焊接而成,表面喷漆,保证结构牢固美观。立柱通过焊接螺栓固定在地基上,保证架体稳定性。传动部分使用电机和减速机驱动方式,通过传动轴进行两侧传动,从而实现单驱驱动。在保证正常运行情况下,节省设计成本。


(2) 行走部分。

       包括垂直行走部分和水平行走部分。行走部分采用电机和减速机驱动,利用同步带传动,使用轮式运动结构,保证定位精确,运行平稳。机械手部分的架构材料为铝,在保证结构强度基础上,实现结构轻量化。


(3)治具部分。

       治具部分是机械手的执行机构,实现抓取的功能,相当于人类手臂。机械手治具采用夹抱和托举的方式,采用气缸驱动。气缸推动抱臂进行运动,抱臂借助导轨和滑块进行滑动,减小了摩擦阻力。采用气缸也可防止夹抱力过大,从而导致活塞料框变形。


(4) PLC控制系统

       PLC控制系统是龙门系统的“大脑”部分,集成了机械手所需要的电器元件,向机械手传输指令,控制着机械手的运动。


(5)人机交互界面。

      龙门机械手的操作控制采用人机交互界面的方式,使操作人员与系统之间的交流更加方便、直观。


2龙门机械手架体动静特性分析
2.1静态分析
      龙门机械手架体是整个机械手的主体结构,也是机械手能否正常运动的基础,架体的性能关系着整个机械手的性能。因此,选择龙门机械手架体受力较大的工况进行分析,分析在该工况下的应力值和位移值。由材料力学理论知识分析可知,当机械手处在横梁中心位置,做上下加减速运动时,架体受力最大,即为理论上结构上最不稳定工况。在该工况下,机械手架体应力值和位移值均为最大,故选取该工况为机械手运动过程中最不稳定工况来进行分析。


      采用SolidWorks创建机械手模型,将机械手架体模型导入ANSYS workbench中。三维模型中倒角、螺纹孔等特征会增加网格划分的难度,增加网格的数量,增加了计算的难度和时间。因此,在进行有限元分析时,将圆角、螺纹孔等不重要特征省略,简化后的龙门机械手架体的几何简化模型如图2所示。

龙门机械手


       机械手架体部分均为焊接而成,材料选用 Q235 钢,其密度为7 850 kg/m3,屈服强度为 235 MPa。机械手架体模型网格划分选用六面体网格,架体部分有限元模型如图3所示。省略部件以质量点形式添加在相应位置,将架体6根立柱地面全部添加fix约束。分析结果如图4—6所示。

龙门机械手


       由分析结果可知,机械手架体最大变形位移为2.1 mm(图4),最大变形在纵梁中间位置。立柱间距为5 460 mm,因此架体的变形位移量在可接受范围内。架体最大应力为54.27 MPa (图 5),最大应该在连接梁与纵梁的连接处。由于纵梁变形对连接梁挤压,造成纵梁肋板与连接梁固定板接触位置应力较大。但最大应力相对于屈服极限仍有较大余量,因此能够满足强度要求。架体应变仍处于弹性变形区间内,其安全系数较大,最小安全系数为 4.33 (图6)。因此,该工况下能够满足使用要求。

码垛机械手搬运码垛龙门机械手

搬运机械手

2.2动态分析
      模态分析主要用来确定机械手的固有频率和相应的振型,反映机械系统的动态性能。龙门机械手只包含3个方向的自由度,整体机构的刚度较大,变形较小。结构的动力特性依靠一些少数的低阶模态就可以精确表达出其动力特性。所以,对该结构进行模态分析,只需要着重考虑结构的低阶频率。将上面静力分析结果与模态分析相关联,进行预应力模态分析,设置架体模态阶数为6阶,分析结果如图7所示。

龙门机械手


      由图8可知,龙门机械手架体部分低阶频率的振动幅度最大位置在连接梁中间位置,最大振动为2.64 mm;纵梁位置振型较小,最大振幅为1.57 mm。由于连接梁作用是固定电机与减速机等传动部分,故选择钢材规格较小。针对分析结果,可适当选择较大规格的钢材来提高该位置刚度。

搬运码垛机械手

机械手


3结论
     搬运码垛龙门式机械手在活塞厂的实际应用,使较大劳动强度的搬运码垛操作简单可行。介绍了龙门式机械手的主要结构以及对应功能。另外,对龙门式机械手的关键部件框架部分进行了动静特性分析,验证了龙门式机械手的设计符合实际使用要求。



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