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基于多联机的上下料机械手结构与控制研究

李健洪  
【摘要】:近年来,随着空调产业的快速发展,同时也推动了相关零配件市场的繁荣。气缸、法兰等作为空调压缩机的关键零部件也进入了高速发展期。而当前我国用于空调压缩机中的气缸、法兰生产线大多依赖人工进行上下料,限制了空调压缩机生产企业的发展。而随着工业自动化技术与上下料工艺的日益结合,机械手在自动化领域中承担上下料的工作任务日趋普遍,与加工设备连线组成自动生产线,有效提高生产效率。本课题研究设计适用于多联机(气缸、法兰生产线)的可进行高效、稳定上下料作业的机械手,实现气缸、法兰等盘类零件的自动化生产加工。本课题首先进行上下料机械手的总体结构设计,其中包括机构类型选择、工作流程确定、本体结构设计以及驱动系统设计等,并在SolidWorks平台中建立上下料机械手的三维模型。随后利用RecurDyn-SolidWorks平台搭建了机械手多刚体模型,通过Hertz理论计算接触刚度以此保证参数的准确性,通过两种不同柔性化方法对横梁模态柔性体(RFlex)和滑台节点柔性体(FFlex)进行建模,再基于RecurDyn-ANSYS联合仿真平台建立上下料机械手刚柔耦合多体动力学模型,刚柔耦合模型着重考虑了关键部件弹性变形与整体系统运动间的耦合作用,更接近大型、轻质、高速、高精度的机械系统实际模型,并通过模拟实际运行流程对上下料机械手进行动态特性仿真分析,分别获得驱动力矩幅值和运动速度等仿真结果图,结果表明经理论计算选用的减速器额定转矩均满足所需力矩要求;整机运行速度满足60m/min的技术要求,且速度波动较小。通过测量刚柔耦合模型中的实际运行轨迹与多刚体模型中的理想运行轨迹的偏差值来评定机械手运动精度,X、Z方向运动轨迹偏差较小,可忽略;而Y方向运动轨迹偏差为-0.72~+0.39mm,以此评定机械手的运动精度为±0.72mm,超出±0.2mm的技术要求;且当机械手在横梁末端运行时的偏差幅值0.4mm大于其在横梁前端的0.2mm,符合悬臂梁主要由于上下摆动变形而导致机械手产生运动偏差的工程现象,同时表明横梁刚度不足。为进一步诊断整体结构的关键薄弱环节,对机械手结构系统进行模态分析,结果表明低阶频率中主要以横梁振动为主,进而说明横梁是对整体系统低阶振型影响最大的关键部件。为了增强横梁刚度,提高整机性能,本文采用多目标优化分析方法对上下料机械手的关键部件横梁进行结构尺寸优化,对横梁截面尺寸、质量、静态最大变形量等进行参数化处理,建立含有以截面尺寸为主的约束条件及以静态最大变形量和质量为主的目标函数的多目标优化分析模型,获取各截面参数对于横梁质量、静态最大变形量的灵敏度分析图和最优分析方案。结合工程应用实际对横梁结构进行重新设计,采用整高155mm、整宽150mm、上壁厚20mm和右壁厚15mm的横梁结构形式,通过对比分析得出结构优化后的横梁在静力学分析中最大变形量相比优化前降低74.9%,表明横梁刚度得到有效增强。再次对改进后的机械手系统进行刚柔耦合多体动力学仿真分析,结果表明末端执行器在Y方向的运动偏差为-0.17~+0.08mm,运动偏差幅度相比优化前降低77.5%,最终评定其优化后的运动精度为±0.17mm,满足了±0.2mm的设计要求,有效说明结构优化后机械手动态特性和运行性能显著提高,根据改进后的模型进行物理样机搭建。最后进行控制系统设计,以汇川H3U-3232MR小型PLC为核心控制器,配置汇川IT60707触摸屏作为上位机,搭建“PLC+HMI”的整体控制平台。采用模块化设计方法进行机械手的整体电气设计,并完成控制电柜的接线与安装;根据上下料流程编写机械手PLC程序,设计机械手的多轴、多方式运行模式;并以用户为中心设计含有操控、监视、诊断等功能的人机界面。结合外围设备(料仓、多联机等)进行工业现场运行调试,通过大量的实验结果表明,基于多联机的上下料机械手速度、定位精度分别达到60m/min、±0.2mm的技术要求,能满足高速、高精度、稳定可靠的工业应用要求。


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