机械手结构设计优化分析

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摘要：近些年来，我国机械制造加工业发展迅速，尤其是现代机械设备的支持下，产品质量与产品生产效率得到极大提高。机械手作为制造加工中常见的一种自动化机械设备，在提高机械加工效率与质量等方面发挥出积极作用。然而，机械手在产品加工中的长期使用，暴露出一些问题，不利于充分发挥机械手的既有应用价值。本文以空心杯为例，以机械手结构设计为主题展开分析，首先简要介绍了本文主要研究内容，随后从机械手总体方案设计、机械手动力学仿真模拟两个方面，深入探讨了机械手结构设计的具体优化策略，旨在让机械手在空心杯电机生产线中发挥出更好地使用效果，全面提高空心杯电机生产工作效率与工作质量。

关键词：机械手；结构设计；优化方法

现阶段，我国空心杯制造加工过程中，人工操作占据重要地位，尚未推广应用现代自动化操作系统，尤其是线板与线板之间的缠绕，主要以人工操作方式为主，这种操作方式，除了需要耗费大量人力资源之外，还不具备较高的工作效率，影响生产效益的增长。基于此，本文对“机械手结构设计优化方法”展开深层次实践分析，对于提高机械手使用效果，全面提高空心杯生产效率而言，具有十分重要的现实意义与实践价值。

1机械手结构设计优化主要研究内容概述

空心杯线圈生产线需重视机械手的有效应用，线圈缠绕完成之后，空心杯的制造就算是半成品完成，此刻线圈仅需要进行适当的加工处理，就可以制造出成品。笔者本文研究旨在设计多角度活动的机械手系统，促使机械手能够完成从上料到安装到精准机主轴上的一系列操作。具体言之，机械手结构设计优化主要研究内容有以下几个方面的内容。一是深入调查上下料机械手的特点，并明确其存在的优缺点，然后结合机械手功能需求，参考机械手设计原理，最终确定机械手设计目标及优化方案，并以此为依据，制定详细的设计方案[1]。二是依据设计方案、考虑机械手动作需求，进行结构优化设计，进行机械手零件连接仿真模拟，从中结合零件变形、应力图等进行分析，最终选择动力学性最佳的材料制造零件[2]。三是对确定好的机械手优化最佳参数，最大限度减少机械手零件承受力，促进生产线使用年限[3]。四是借助ANSYS等软件仿真模拟机械手，验证机械手各零部件设计是否合理，及时发现结构设计不合理之处，然后借助拓扑优化方法，改善机械手不合理结构，以此有效提高机械手精准度，有效降低制造成本。

2机械手结构设计优化方法分析

2.1机械手总体方案优化设计。（1）上下料机械手系统方案优化设计。机械手系统方案的优化设计，主要涉及绕线原理、线圈生产主要流程两个方面的内容。一是绕线原理。结合实际加工需求，不同直径线圈生产活动中，仅需要将与之相对应的线圈芯轴套更换就可以持续进行加工。这样一来，一方面可以保证线圈缠绕准确率；另一方面可以有效提高机械手工作效率。需强调的是线圈缠绕时，需保证不同型号线圈与芯轴尺寸相符。二是线圈生产主要流程。线圈的生产主要依靠机械手将未加工的线圈安装到主轴上，然后绕线机以斜绕式方法，将铜线缠绕到线圈上，最后在精准机主轴的作用下，完成精准机精准线圈加工。设计阶段，相关人员首要工作是明确机械手操作空间大小，并确定芯轴与主轴对接位置，然后以此为依据，结合实际需求，优化设计机械手每一个动作，并确定机械手的具体位置，一方面可以解决空间问题；另一方面可以最大限度节约成本。（2）机械手自由度。线圈生产中，机械手主要在绕线机与精准机之间发挥作用，可让线圈完成绕线机到精准机主轴之间的一系列动作。结合实际需求，机械手在线圈加工中，所需要执行的动作，总体言之，主要包括以下几个方面的内容。机械手从绕线机初始位置移动到终止位置整个过程中，机械手的主要动作为紧抓住线圈，并以直线运动方式移动到中间位置，最后将线圈安装到精准机主轴上。机械手移动到绕线机的整个过程中，动作的实现，可以直线方向移动实现，这个动作可确定一个自由度。首先，将X轴设为移动副，机械手线圈抓取与松开等操作，主要是在绕线机与精准机主轴之间来回以直线正反向线性运动予以实现。机械手在完成绕线机上线圈夹持动作之后，就可以继续完成绕线机离开动作，然而生产线上有挡板，意味着机械手离开绕线机的动作，必须绕开挡板，才能保证机械手顺利完成绕线机离开操作。在此移动过程中，与上述动作属于同一个水平方向，自由度与第一个X轴移动对相同。除了确定水平方向的自由度之外，还需要进一步在竖直方向单独确定一个移动自由度，以Z轴设定为移动副，Z与重力加速度方向相反。最后装配动作需水平面垂直X方向的另一个移动副辅助完成动作，设定为Y移动副。总之，机械手自由度的确定，主要有四个，当中三个为移动自由度，一个为手爪夹持自由度。2.2机械手动力学仿真模拟。通过solidwords软件仿真模拟机械手，构建与之相符的几何模型，随后将相关数据输入到ANSYS中，并设定重力加速度单位，X轴设定为接地，以此展开机械手动力学仿真模拟。结合模型与实际输出结果，发现速度变量虽保持一致，但是力量与力矩变量模型与实际存在显著的差异。为了更好满足现代工业生产线的实际需求，结合机械手受力效果，予以措施进行进一步优化机械手设计。首先，结合机械手各部分重要零部件的具体受力情况，优化选择材料，并适当调整机械手的运行方向。其次，设计方案与机械手整体机构进行比对分析，并以此为依据，对机械手具体结构优化设计的可行性进行探讨，最终确定机械手各零部件最后类型。三是借助动力学仿真模拟，通过多次反复验证，得出机械手的最佳安装数据，然后在最优解中得出最佳安装位置。需强调的是在仿真模拟时，需进行多次验证，其主要目的是保证仿真模拟数据的准确、有效性，只有这样，才能真正意义上确定出机械手之间的最佳安装位置。最后，ANSYS中分析机械手模态振型，尤其是机械手当中的一些重要零部件，更需要借助ANSYS进行应力分析，然后利用拓扑优化学，完成机械手零部件的材料优选工作。

综上所述，机械手在现代工业中有着广泛的应用，然而在实践中，暴露出一系列问题，直接影响到机械手既有作用的发挥。所以，在实践中，有必要结合工业生产需求，进一步优化机械手结构设计，并立足于工业生产实际需求，探讨出行之有效的机械手结构优化方法，为充分发挥机械手应用价值夯实基础，进而产生更大的经济效益，推动我国现代制造加工业的发展。

参考文献:

[1]苏志同.热冲压生产线多层箱式炉机械手的结构设计与运动优化[J].中国设备工程,2019(13):72-73.

[2]张军,张勇.机械手结构设计优化研究[J].湖北农机化,2019(12):73-74.

[3]李卫民,华雷.注塑机专用取件机械手结构设计[J].机械工程师,2018(07):52-54.

作者:贺翔 李卫国 单位:内蒙古工业大学矿业学院