机电一体化专业毕业论文

  引言

  目前,我们用的塑胶制品有 80%以上都是通过注塑成型机进行加工,而且随着社会的发展,塑胶制品的应用范畴在不断的扩大,人们的需求量也越来越大[1]。注塑机机械手是为了配合注塑生产的自动化而出现的专门配套设备,对提高注塑行业的生产质量和生产效率有很大的作用,同时还大大减少了由于人为操作失误而造成的损失,减低了生产成本并保证了工人的人身安全[2]。然而,目前所用的注塑机机械手大多来自进口,相对于中小企业来说价格无疑是太昂贵而且操作起来不方便。五伺服机械手是针对当前国内注塑行业产品的多样化、批量化和精密化的发展趋势以及国内注塑行业对生产自动化的要求不断提高的状况而提出的,为研制适合我国注塑企业使用的低成本、低噪音、低能耗、好效率的机械手实现注塑自动化设备的国产化、知识产权自主化提供了理论依据。

  作为某企业委托的一项研究项目,本文对注塑机五轴伺服机械手进行了设计分析,利用Pro/E 软件对其进行建模并导入到adams 中进行仿真,为以后要进行的动力学仿真及有限元分析提供一定的理论依据。

  1 注塑机专用五伺服机械手的结构

  一个完善的注塑机机械手一般是由执行系统、驱动系统、控制系统等组成的。执行系统包括用来抓取和释放塑胶制品的手爪以及实现各个动作的部件。驱动系统即为执行系统提供各种动力的系统。控制系统即能够对驱动系统进行准确的控制使得执行系统能够按照所要求的程序而动作[3]。本文主要研究执行系统和驱动系统。

  1.1 执行系统

  本文主要介绍的执行系统的结构包括产生引拔行的主副臂、产生横行的横梁和悬臂梁、以及产生上下(垂直)行的主副臂内外臂。主副手臂均采用内外臂嵌套的形式,同时给内外臂等速的驱动即可达到倍速的效果,这种高度集中的倍速结构不仅能大大的节约执行时间提高机器的使用寿命,而且将机械手整体高度减小到最低值符合厂家在普通小厂房使用的要求。如图1 所示。受伺服电机控制,主副臂同步带带动外臂和内臂分别通过外臂滑块和内臂滑块上下运动。

  悬臂梁、横梁、主副手内外臂等均采用高强度工业铝型材,坚固耐用且明显的减轻了机械手的整体重量。横行及引拔行方向在该型材的基础上设计为滚轮导轨,不仅在体积和重量上都有一定的改进,同时提高了移动的速度减小了工作时的噪音。

  注塑机专用机械手的手部是用来直接抓取注塑制品的部件。由于注塑制品的形状、大小、重量及表面特征等方面存在着差异。因此,机械手的手部有多种形式,一般可分为夹持式和吸附式两种[4]。为了使得在取件过程中,塑料件跟水口料可以分开脱模,将机械手设计成双臂的形式,主手臂的末端安装吸盘用于吸取和释放塑料制品,副手臂的末端安装夹钳用于夹取回料。

  1.2 驱动系统

  常见的驱动系统有气动、液压、电动及机械等形式[5]。本文介绍的机械手横行、主副臂引拔行、主副臂上下行均采用全伺服交流电机控制,运行速度快且平稳,定位准确,容易实现多点放置取出物。

  该机械手各个运动轴处均为堕轮和高扭矩同步带驱动模式,比传统的齿轮齿条传动更平稳,减小了运动时的噪声。以横行为例,图2 为横行伺服电机组简图。在伺服电机的带动下同步带带轮转动从而在同步带驱动下实现沿横行轨道的横行动作。同理引拔行、垂直行均为交流伺服电机驱动,工作原理同横行电机组,悬臂与横梁之间通过悬臂基板和横行滚轮组连接,横行电机组和主副臂引拔行电机组安装在悬臂基板上,上下行电机组安装在主副臂基座组上,因此,可以做到两轴或三轴联动,在必要时候可以大大节约循环时间。

  2 Pro/E 的三维实体建模及导入adams

  根据设计要求在Pro/E 中建立各个零件三维模型。并且各个零件的单位均设置为mmkgs,为以后将模型导入进adams 做好准备。创建完成各个零件以后,把各个零件组装成装配图,此时要把装配体设置成机械手运动的初始位置[6],如图3 所示,以减少仿真时对其位置的调整。出于对模型复杂程度以及研究重点的考虑对装配体进行适当的简化。将拖链板、箱体盖、感应元件等对仿真影响不大的部件简化掉,简化后的机械手模型主要由以下几部分组成,基座、横梁、左右悬臂梁、主(副)臂内臂、主(副)臂外臂、横行(引拔行)滚轮组、内(外)臂上下行滑块、主手、副手。

  安装 mechpro2005 时选择好pro/e 和adams 的安装路径,安装完成后在Pro/E 的菜单栏中会出现M/Pro 的菜单管理器,选择mech/pro→Set Up Mechanism→Rigid Bodies→Create→By Selection →Add Component,依次选择没有相对运动的零件将他们定义为一个刚体,该机械手模型设定为14 个刚体。

  机械手模型较为复杂,考虑对点线面等特征的容易确定,我们选择在Pro/E 中添加约束。依次点选Set Up Mechanism→ Constraints→ Joint→Create→Type/Method 选择需要的约束进行定义,具体约束见表1。保存Mechanism/Pro 文件。约束完成后点选mech/pro→Interface→ADAMS/View→Geometry Quality 输入9 确定然后选择Done/Return,系统会自动打开adams/view 界面并显示已导入的机械手模型。如图4 所示。为导入 adams 后的模型各个部分定义材料属性,至此就可以给模型添加驱动进行仿真分析。

  3 定义驱动及仿真分析

  (1)首先给模型设置重力加速度setting→gravity,将Gravity 选中选择Y 轴负方向作为重力方向,大小为默认值即可。

  (2)添加驱动。该机械手的主要动作方式是通过伺服电机带动同步带传动从而导致了一系列动作,在距光电感应器一定距离时停止当前动作进行下一个动作,仿真时可以简化为给约束一个适当的驱动使得机械手实现一系列动作。具体约束添加情况见表2。仿真时间7.6s,仿真总步数1000 步。

  4 仿真结果分析

  通过 Adams 主界面中的可以进入测试结果界面。得到横行、上下行、引拔行的速度位移曲线。红色曲线为速度曲线,蓝色曲线为位移曲线。

  通过对速度位移的测量,可以确定各个速度变化是否满足其工作需求,得到整体运动过程中的运动特性和运动规律,为结构的设计以及优化分析提供一定的理论依据。由测量结果可以看出,横行、引拔行、上下行三方向速度最大不超过3m/s,横行位移不超过1600mm,内外臂上下行总最大位移为800mm,主臂引拔行最大位移380mm,副臂引拔行最大位移180mm,满足设计要求。运动流程可归纳为:

  5 结论

  本文对某型号注塑机专用五伺服机械手的结构进行分析说明,利用Pro/E 软件对各零件进行实体建模并利用其装配功能完成总模型的创建。通过Pro/E 与adams 的无缝连接接口将简化后的模型导入到adams 中,进行了详细的运动学仿真分析,得到机械手运动的动画,更加形象的得出其运动流程,并输出横行、引拔行(左右)、上下行的速度位移随时间的变化情况,为进一步进行动力学以及有限元分析奠定了理论基础。

  [参考文献] (References)

  [1] 赵增奎,陆建辉,刘玲. 某型号注塑机械手的有限元分析[J]. 机械强度,2005,27(6):803~807.

  [2] 李兵. 注塑机械手的参数化设计及动力学分析[D].中国海洋大学,2009.

  [3] 牟文杰. 机械手在注塑生产中的应用[J].中国塑料,2000,10.

  [4] 李绍炎. 注塑机自动取料机械手夹钳优化设计[J].液压与气动,2008,27(6):803~807.

  [5] 于殿勇,吕伟新,高彤,魏和语,李远强,王希功. 注塑机械手的开发[J].机器人,2000,(8).

  [6] 王龙. 基于注塑机的三轴伺服机械手的研究与开发[D].五邑大学,2009.

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