基于发动机缸体压铸工业机器人末端操作器的设计*

范 娟，张新建*，杨家军，2

(1.文华学院 机械与电气工程学部，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学 机械工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

发动机缸体压铸传统工艺用专机和人工辅助将缸套镶件嵌入模具，操控压铸机高速压注铝液至模具型腔，快速成型，开模后由专机与人工辅助将型腔内成型缸体取出。由于缸体本体约10 kg，取出劳动强度大，生产效率低且生产质量不高。

工业机器人自动化压铸生产(简称智能压铸岛)已经在压铸行业得到广泛应用。研究者一直致力于其性能改进，发动机缸体压铸岛工作时，工业机器人末端操作器夹取缸套、镶件推送缸套、夹取缸体，由于发动机型号较多，每款发动机缸矩差别，不同机型的发动机对应用不同工业机器人末端操作器，使行生产切换与生产故障频繁。通过对8种机型发动机产品缸体间矩数据对比，缸体间矩最大1 129 mm，最小980 mm。SolidWorks建模设计法兰盘快换方式实现末端操作器的切换，发现可实现其功能，但始终未解决一种末端操作器实现通用不同机型发动机生产。为了使不同机型发动机缸体共用一种末端操作器，研究人员通过采用伺服与铰链机构实现机电控制等量变矩原理[1]，设计机构动作仿真，结果表明可实现不同缸矩抓取的要求。

本研究采用伺服等量变矩[2-3]，利用机械与电气控制相结合以得到其预设结构数模，并通过测试实验对结构设计进行验证。

1 算法设计

1.1 末端操作器的描述

传统缸体压铸工业机器人末端操作器外形图如图1所示。

图1 传统缸体压铸工业机器人末端操作器

工业机器人末端操作器是结合工艺需求设计的专用装置，设计需求如表1所示。

表1 设计需求说明表

本研究中的末端操作器设计从输送缸套装置对接抓取4个缸套，在镶入模具型腔时同时能够推送4个缸套至定位底部，并且可自动变距适应用不同机型发动机缸体的生产。

缸体成型后缸体通用型末端操作器能够满足多机种发动机缸体取出，且与后工序机械不干涉。

1.2 设计相关分析

1.2.1 工业机器人参数介绍与运动路径分析

本次项目选取ABB-IRB6640机器人，ABB-IRB6640机器人主要技术参数如表2所示[4]。

表2 IRB6640参数介绍

变距抓手的运动路径包括位置的变化和姿态的变化。

工具坐标平移运动在基坐标的矩阵变换公式如下：

(1)

(2)

旋转点在基坐标系里面的坐标矩阵变换包括绕x，y，z，3个方向的变换如下：

(3)

(4)

(5)

1.2.2 气动控制夹持力计算

夹取缸套所需的最小夹紧力[5]为：

μF夹=G=Mg

(6)

式中：F夹—取件抓手的夹紧力；M—发动机缸套的重量。

取件抓手夹套与缸套之间的静摩擦系数为0.2。

取件抓手和缸套抓手都采用气压驱动，则气动控制夹持力为：

(7)

式中：D—气缸缸径；p—气缸使用压力，MPa；η—气缸负载率。

1.2.3 伺服变距结构分析计算

末端操作器变距运动机构包括伺服电机、滚珠丝杆、直线导轨机构和铰链机构。由伺服电机提供动力，驱动丝杆转动，丝杆转动带动滑块的移动，丝杆顺时针转动滑块压动连接杆，从而实现铰链机构距离的收缩，逆时针转动时滑块向右移动，实现铰链机构的伸展，达到等量变矩的功能。

变距机构的平面图如图2所示。

图2 伺服变距结构图

滑块对连杆的推力为F1，滑动表面的摩擦系数为μ。丝杆的参数包括轴径D、轴长L和节距p。发动机的参数包括电机转速n，转动惯量为J。

相关计算式如下：

(8)

(9)

(10)

式中：P—发动机的功率；n—转速；T—发动机所产生的转矩；Tf—丝杠产生的摩擦力矩；L—丝杠转动的水平距离[6-8]。

铰链机构整体受力分析简化图如图3所示。

图3 铰链机构整体受力分析图

其中：

∑FX=0F1=FX1+FX2；

∑Fy=0Fy1=Fy2。

铰链的运动方式包括收缩和伸展，θ的角度范围从90°～150°，铰链杆的长度为120 mm，可满足发动机缸体中心距为895 mm～1 129 mm的抓取要求。

2 结构设计

2.1 末端操作器主要运动结构设计

根据关键技术要求，本文设计了一种缸体通用型工业机器人末端操作器，其主要运动结构由4个部分组成：

(1)伺服变距结构适应不同型号发动机缸体制造，可快速切换缸体中心距，以达到生产要求。

伺服距结构设计图如图4所示。

图4 伺服变距结构设计图

(2)缸套抓取镶件结构本末端操作器以四缸发动机缸套镶件为导向设计，抓取镶件结构为4个分支结构同一控制回路。

缸套抓取结构设计图如图5所示。

图5 缸套抓取结构设计图

(3)缸套镶嵌结构缸套放入模具定位销内，推入结构将其推入到位。

缸套镶嵌结构设计图如图6所示。

图6 缸套镶嵌结构设计图

(4)缸体取出结构夹持缸体本体，并能适应后工序的加工结构。

缸体取出结构设计图如图7所示。

图7 缸体取出结构设计图

2.2 末端操作器分解图

由于压铸车间环境恶劣，工业机器人取镶件末端操作器整体设计需考虑防护装置，分解图中涉及到23-顶出气缸护盖、35-水尘防护橡胶支撑钣金、34-水尘防护橡胶等防护装置的设计。

缸体工业机器人末端操作器分解图如图8所示。

图8 缸体工业机器人末端操作器分解图1-机器人连接法兰；2-取件夹手固定板；3-变位夹手固定板；4-顶出气缸固定板；5-取镶件夹手右侧板；6-取镶件夹手后侧板；7-顶出托板；8-顶出托板导板；9-顶出托板导板；10-顶出导板；11-顶出导杆导套；12-变位丝杆固定座；13-变位夹手固定座；14-变位丝杆螺母固定座；15-变位连杆A；16-变位连杆B；17-变位连杆销A；18-变位连杆销B；19-变位连杆D；20-变位连杆C；21-角接触轴承座B；22-缸套推板；23-顶出气缸护盖；24-取件手指固定座；25-取件手指；26-变位连杆销C；27-顶出气缸连接器；28-变位夹手固定座B；29-角接触轴承座端盖B；30-夹手固定座B过渡块；31-角接触轴承座；32-角接触轴承座端盖；33-角接触轴承座密封盖板；34-水尘防护橡胶；35-水尘防护橡胶支撑钣金；36-缸套夹手手指座；37-缸套夹手手指；38-schunk_PGN-plus300-1；39-SMC_CDQ2B8-50；40-SMC_MHSL3-40D-M9N；41-三菱伺服电机HF-KP23；42-传动丝杆BNT 1605-26(THK)；43-传动丝杆螺母BNT 1605-26(THK)；44-信号线航空插头；45-孔卡38；46-导轨SR15W(THK)；47-滑块SR15W(THK)；48-联轴器SHC-35C(仕勋)；49-自润轴承JDB-1_152130；50-自润轴承JDB-1_162220；51-自润轴承JDB-1_162240；52-自润轴承JDB-1_303830；53-角接触轴承7001 C；54-轴卡16；55-防水接头

3 结束语

本研究介绍了发动机缸体工业机器人末端操作器，并通过伺服等量变矩结构分析计算，确认了核心部件理论设计的可行性。结构组立通过时效疲劳试验，未发现异常，充分说明该设计的优越性。

采用伺服等量变距工业机器人取镶件末端操作器结构设计，可大大提高了汽车发动机缸体压铸生产效率，实现快速变距切换机型的功能。

[1] 陈国强.工业自动化中的驱动与控制[M].北京：机械工业出版社，2016.

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