自动上下料机械手运动学分析及仿真

崔杰生，任 飞

（西京学院，陕西 西安 710123）

1 自动上下料机械手系统功能分析

自动上下料机械手的主要功能是在机床制造过程中提高自动化操作的程度，替代部分人为操作环节，如放料、取料和送料等。因此自动上下料机械手需要具备连续运行、价格成本较低、承载能力良好、精准度高、响应速度快等特点。上料机械手能够完成将物料从原料堆中输送到模具中线位置的操作过程，下料机械手能够将物料传送到成品堆的操作过程，并确保生产节奏需求。自动上下料机械手的具体功能如下：一是上料机械手将材料从原料堆中传送到冲床模具进行冲压处理；二是下料机械手将成型的物料传送到成品堆中；三是自动上下料机械手的冲压系统将生产节奏控制在8次/min；四是自动上下料机械手的整体结构设计科学合理，运行安全可靠，噪声控制在标准范围内；五是自动上下料机械手系统能够实现自动化操作与人工手动操作的功能切换。

2 自动上下料机械手结构分析

文章对直角坐标机械手进行分析，上料机械手具有伸缩和上下移动的两个自由度，下料机械手具有旋转和上下移动的两个自由度。自动上下料机械手的性能与操作稳定性受到移动关节、端拾器、旋转关节等结构的影响。在研究过程中可将其简化视为一种刚体杠杆机构。

文章设计的自动上下料机械手在工作时具有相对较小的额定负载，旋转轴、上下轴、摆动轴和伸缩轴等系统需要动态特定好，传动功率相对比较大，一次将驱动设计为交流伺服电机。

上料机械手主体结构为方形钢焊接形成，高度为1 000 mm，宽度和长度为730 mm。机架顶部为固定板，安装上料机械手的上下轴、取料机构加工孔和相关零部件，如直线轴承安装板、支撑板等。下料机械手的主体结构包括底架、上下轴和旋转轴等。

3 自动上下料机械手运动学分析

在探究自动上下料机械手的运动学坐标系时，以GB/T16977-2005《工业机器人 坐标系和运动命名原则》相关规定内容为基础。“围绕平行于X、Y和Z轴线转动时的定义分别为A、B和C。A、B、C的正向分别以X、Y、Z的正向且以右手螺旋前进的方向为正方向。”

3.1 位姿数学表示

①位置表示。依据笛卡尔右手法则构建直角坐标系{M}，表示方法为3＊1的向量，在此空间中的任意一点均可以使用指标表示出来坐标系中的具体位置。②方位表示。对自动上下料机械手运动学分析时，会对机械手末端位置与姿态进行分析。构建两个具有关联关系的坐标系，通过物体的坐标系{N}坐标轴单位矢量相对{M}的方向余弦形成矩阵，与物体坐标系相对{M}相对应的三个坐标轴方向余弦形成矩阵代表其在{M}的方位。

③位姿表示。为明确空间一点N在基础坐标系中的完整位置，需要先建立坐标系{N}，以物体特征点为坐标系原点，随后对原点在基础坐标系中的位姿，用代表位置，用代表姿态，进而得到相关公示来表示。

3.2 运动学分析

在运动学分析时，主要对上料机械手的移动速度、位移、位置变量以及加速度等参数求解。上料机械手在运行期间进行直线云顶，上下轴与伸缩轴之间并不存在联动关系，因此只需要对其运动位置分析，不需要对姿态情况分析。在忽视安装误差的条件下，上料机械手各部件Z轴处于平行状态，所以利用矢量法对运动传递过程进行分析。

基于GB/T 12644-2001《工业机器人 特性表示》内容显示，X轴方向由原点指向机器人工作空间中心点在机座安装面上的投影。当由于机器人的构造不能实现此约定时，X轴的方向可由制造厂规定。基于此标准，首先构建上料机械手的本体坐标系O-xyz，将上料机械手上下轴电机和安装板接触点作为原点，构建局部坐标系O1-x1y1z1，将上料机械手伸缩轴滚珠螺母和大臂接触面作为原点，构建局部坐标系O2-x2y2z2，以端拾器顶部位置作为原点，构建局部坐标系O3-x3y3z3。这三个局部坐标系会随着机械手运动发生变化。

对端拾器坐标进行求解就是运动学正解问题，自动上下料机械手的各部件结构参数已知，对各运动关节变量进行分析，以此分析计算端拾器对机械手本体坐标系的姿态和位置。即通过O1和O2坐标系情况求解原点坐标O3的位置坐标。

基于电机转速w能够对中滚珠丝杠移动距离进行计算分析，计算公式为：

上下轴上电机带动滚珠丝杠移动位移为：

伸缩轴上电机带动滚珠丝杠移动位移为：

其中，t代表电机转动时间；p代表滚珠丝杠导程；i代表电机到同步带轮的传动比。

此时，局部坐标系O1-x1y1z1的原点坐标为：

局部坐标系O2-x2y2z2的原点坐标为：

局部坐标系O3-x3y3z3的原点坐标为：

其中，a1、b1、c1代表初始位置时上下轴电机与机械手本体坐标系的安装距离；a2、b2、c2代表初始位置时伸缩轴关注螺母相对电机的安装距离；a3、b3、c3代表初始位置时端拾器顶部位置相对滚珠螺母的安装距离。

通过上述公式即可获取到上下料机械手端拾器末端位置的空间位置坐标。

4 自动上下料机械手仿真分析

4.1 模型简化

将自动上下料机械手导入软件系统中建立模型，为进一步简化模型仿真分析操作，需要先进行适当的简化处理。文章在模型简化时主要对以下几方面考虑分析：①对结构中非承载部位的圆角、小孔和凸台等忽略分析。②将不必要的零部件删除，如螺钉、密封圈和垫圈等。③将螺钉链接部件视为一体结构。④将伺服电机和减速机视为实心结构，仅分析外观形状和尺寸。

4.2 材料属性配置

结构材料属性对于结构性能具有重要影响，在仿真分析过程中需要对材料属性进行分析，包括泊松比、弹性模量和材料密度等，基于具体设计的材料种类和型号对各项参数进行最终确定。

4.3 有限元网格划分

此环节就是构建模型的过程，利用网格划分将实体模型分成多个单元，各单元之间形成节点。在分析计算的过程中实体模型并不进行计算，而是对离散化后的有限元模型分析，在实体边界上施加的载荷与约束都转换为模型节点和单元的求解分析。在网格划分时需要结合模型实际情况对网格划分密度科学设计。

4.4 约束和载荷添加

约束和载荷添加的合理性与科学性会直接影响到最终仿真模拟的结果，因此在添加时需要对假定内容进行优化设计，尽可能确保其与实际情况相符合。约束和载荷添加时可进行适当的简化与等效。文章在分析时主要对结构最大载荷情况分析。

4.5 求解、结果分析

在上述环节处理结束后即可进行迭代计算分析，对处理后的结果数据进行转变，使用云图展示出来，能够更加清晰直观的描述仿真结果。

在仿真分析时主要对上料机械手的各部件受力情况进行研究，其中包括以下几部分：

①机架上固定板。文章设计的上料机械手手臂主体材料为铝合金6061-T4，其余位置材料设置为软件默认材料Structural Steel，在ANSYS软件中设置材料的各项性能参数。固定板网格节点有28 890个，单元有14 730个。添加约束与载荷后对其具体情况分析，最大变形为0.009 mm，最大应力在升降机构光杆连接处，应力大小为1.06 MPa。由此能够得出结论，上固定板的最大应力值与最大变形均比较小，符合标准规范。②对接送料机械手臂大臂仿真分析，其最大变形在大臂末端齿形带轮和电机安装位置，最大变形是0.4 mm，最大应力在升降机构与大臂连接处，为17.6 MPa，符合标准规范。③对机械手的机架仿真分析，其最大变形在机架顶部横梁中间位置，最大变形是0.02 mm，最大应力在最大变形横梁与其他横梁交点位置，为8.4 MPa，符合标准规范。

5 结论

文章结合数控机床机械手加工系统的功能需求，设计了一种自动上下料机械手，为进一步探究其在实际生产中的应用情况，构建了自动上下料机械手的运动学模型，并通过仿真分析其实际应用效果。基于仿真结果能够得知，文章设计的自动上下料机械手能够在工作空间内实现自动化上下料操作，具有显著的可行性。