磁瓦码垛机械手设计与分析

付柯锦，胡晓兵，欧阳旭东，徐兴伟

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

0 引言

在电机中，磁瓦质量的好坏对电机的性能有着重要的影响，随着工业发展，对磁瓦的需求量越来越大，磁瓦生产过程中存在多粉尘、高温等恶劣工况，同时，码垛是一种重复性高，劳动强度大的工作，基于提高生产效率，减少人工成本，提高操作人员的安全性和舒适性[1]等目的，设计了一种基于数控系统控制的磁瓦码垛机械手，该机械手的三维图如图1所示。

图1 磁瓦码垛机械手设计3D图

1 机械手组成

机械手一般由控制系统，驱动机构和执行机构等各部分组成[2]。该机械手采用数控系统控制，具有高稳定性，高可靠性，采用G代码编程，操作简单，维修方便。

驱动系统采用伺服驱动器与伺服电机，由于电机驱动的负载主要是模组的重量，所以电机选型的参数主要由选用的模组确定，驱动机构采用二维坐标设计的运动模组，同步带传动。

执行部分采用直线气缸，实现机械手的上升/下降，短行程直线气缸，实现翻转动作，最末端采用气爪，来实现机械手夹紧与放松。为了实现运动信号控制，需要在气缸上装位置传感器[3]。图2为执行部分的三维图与实物图。

图2 机械手执行部分三维图与实物图

2 码垛机械手控制系统方案的设计

从机器人功能出发，对机械系统分析可知，需要控制的元器件（输出信号）有：X、Y轴伺服电机、Z轴直线气缸、短行程直线气缸、气爪；传感器信号（输入信号）有：X、Y轴模组限位信号2×2、Z轴直线气缸2个、短行程直线气缸2个、气爪2个；方案原理如图3所示。

从图中可以看出，数控系统通过通用I/O板，发出信号控制继电器通断，继而控制电磁阀换向，来控制气缸的动作，气缸上的传感器返回信号，完成运动反馈控制。传感器采用圆柱形磁性接近开关，安装在气缸两端，当气缸活塞运动到传感器所在位置时，传感器发出信号，表示气缸已经达到了行程的极限。

图3 控制系统方案原理图

3 机械手关键部件的有限元分析

由于执行部分安装在Y轴上，Y轴一端与X模组上的工作台固联，所以可看作是一个悬臂梁模型，需要对其进行应力分析，检验模组的刚度是否达到要求。由于模组机械结构复杂，导致有限元分析的效率很低，分析时对模组的机械模型进行简化，将之简化为5mm厚度的铝合金壳体进行分析。该简化模型的刚度要低于模组的实际刚度，因此，只要简化模型能满足对模组刚度的需求，所选用的模组便能更好的适应工况。这里应用的是SolidWorks软件里的Simulation有限元分析软件[4]，来对Y模组进行分析。

3.1 定义材料属性、添加夹具、施加载荷

简化模型材料选为1060铝合金，材料的弹性模量为69GPa，质量密度为2.7×103kg/m3，根据Y模组的实际安装情况添加夹具，设计最大码垛重量为2kg，执行部分机械爪重量约为3kg，所以模组承受的最大载荷约为50N，施加在模组末端。

3.2 分析结果

划分网格后，进行分析运算。

图4 Y模组应力分析

图5 Y模组位移（合位移）分析

图6 Y模组等量应变分析

由运算结果图解分析，可得出该种工况下，Y模组所承受的最大应力为2.85MPa，而材料的最大屈服应力为27.5MPa，所以能够安全工作，由合位移图解得出Y模组最大位移量为0.059mm，位移量很小，能够满足要求。

4 结束语

根据磁瓦生产线自动化需要，从磁瓦码垛工作的特点出发，设计了一种基于数控系统的码垛机械手，给出了控制系统方案，并对机构的关键部分进行了有限元分析，分析结果表明，由于负载较小，机构的强度能满足工作要求，其刚度也能保证机构在工作时能有足够的精度。

[1]蔡鹤皋.机器人技术的发展与在制造业中的应用[J].机械制造与自动化,2004.33(1):67.

[2]孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安:西北工业大学出版社,2006.

[3]朱梅.基于机械手的全气动或电气动控制设计[J].液压与气动,2004(1):34.

[4]陈超祥,叶修梓,等.Solidworks Simulation基础教程[M].北京:机械工业出版社,2010.