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采用機器（qì）人上下料的輪轂夾具設計與分析

2024-7-4 來源：四川九洲（zhōu）電器集團有限責任公司作者：明（míng）濤李劍

【摘要】: 工（gōng）業機器人越（yuè）來越多的應用到智能製造領（lǐng）域，最典型（xíng）的應用之一就是配合數控機床實現機（jī）床自動上下料，從而實現一（yī）定程度的無人值守，提高生產效率，降（jiàng）低人工成本。結合實際情況，本文首先對機器人進行了選型，然後對夾具進行（háng）設計和分析，為係統製造提供（gòng）依據。

機器人技術是機械、電子、軟件等多（duō）學科交叉融合的新技術，不僅是工科領域最具代表性的前沿交叉學科之一，也是我國重點發展戰略領域之一，隨著我國科技的不斷進步（bù）和製造業的（de）不斷升級，采用工業機器人代替人工生產，實現自動化、無人化、智能化（huà），可以有效降低企業生產（chǎn）成本，提高經濟效益。本文在選（xuǎn）定成（chéng）熟機器人的基礎上（shàng），針對零件具體情況，設計合適的夾具以實現整個機器人上下料係統的功能。本文采用 SolidWorks軟件進（jìn）行夾具的設計和分析，SolidWorks 是世界知名的三維設計軟件，功能強大，集設計、仿真、渲染（rǎn）等功（gōng）能於一體，能夠方便快捷實現產品設計跟優（yōu）化。

1. 機器人上下料係統整體設計

如圖 1 所示，數控車加工中心為主體（tǐ）設備，機器人放置在車床正（zhèng）前方，機器人左側可設置（zhì）傳送線用於待加工零件的來料，機器人右側（cè）可設置傳送線用於已加工零件的（de）走料。機器人跟車床之間通常需要留有約 1 米的間距，如果機器人（rén）出現（xiàn）故障，可臨時沿用傳統的人工吊裝等方式實現上（shàng）下料，不耽誤生產。

圖 1 機器人上下料係統整體

2. 工業機器人

工業機器人根據用（yòng）途有不同的類型可以選擇，本文中上下料需要機器（qì）人有（yǒu）更多（duō）的自由度，因此本文選擇六自由度（dù）機器人（rén）。由於零件重量為46kg，夾具重量假設跟零件重量相當，則機器人末端負載約 100kg。考慮機器人高（gāo）速運動帶來的額外負載以及價格因素，本文選用四大家族之一的安川 GP110 機器人。安川作為機器人品牌全球四大家族之（zhī）一，其產品性能穩定可靠，功能強大。該款機器人運動半徑高達 2236mm，具體技術參數如圖 2 所示。

圖 2 機（jī）器人主要技術參數

3. 夾具設計

夾具作為係統的主（zhǔ）要部件之一，在設計的時（shí）候需要確保其穩定可靠。首先，需要分（fèn）析被夾持工件的特點，被夾持的工件是回轉件，其材（cái）料為鋁合金，其重量約 46kg，夾持的時候不能損傷工件表（biǎo）麵（miàn）。其次，分析（xī）夾持要求，夾持的時候需要同時考慮夾持和定位（wèi），工件被定位後（hòu）才能準確抓取到機床上。基於（yú）上述條件，夾具的構想方案如圖 3 所示，夾具具（jù）備（bèi）兩個夾持板，夾持板上設置 2 個能夠（gòu）滾轉的輪子用於夾持過程中工件跟夾具實現自適應（yīng）定心。同時，夾持板能（néng）夠（gòu）在夾具（jù）基座上相對滑動，並且需要（yào）保持一（yī）定的剛性。

圖（tú） 3 夾具方案

加工生產，效率是非常重（chóng）要的因素之一，為了提高夾持響應，本文采用連杆驅動的方式，驅動夾持板的夾持和鬆開動作。同時，為了實（shí）現夾（jiá）持定心，則需（xū）要兩個夾持板能（néng）夠繞夾具中心同步夾持和張開。為此，連杆采用中心對稱的雙曲柄滑塊機構實現。夾具上的兩個夾持板即（jí）為機構對應的滑塊，如（rú）圖 4 所示。

圖 4 雙曲柄滑塊機構

4. 夾具計（jì）算及分析

（1）驅動電機計算及選擇

圖 5 連杆尺寸

如圖 5 所示，驅動軸旋轉帶動曲（qǔ）柄旋（xuán）轉，曲柄帶動連杆拉動（dòng）滑塊運動，在圖示（shì）處實現（xiàn）夾具對輪轂的夾持，此時曲柄垂直連杆，輸出力最大。

分析連杆受到的拉力，乘上一定的安（ān）全係數就能得到驅動軸所需要的扭（niǔ）矩，在圖 5 所示狀態下，下連（lián）杆（gǎn）受到的拉力最大，為一側夾持板及滑持板、滑塊、工（gōng）件的重力（lì）合計約（yuē） 550N。注意到，上夾持板及滑（huá）塊的重力同（tóng）樣通過（guò）上連杆作用到驅動軸上，因此還需要增加上夾持板及滑塊的重力約 90N，作用在驅動軸上的（de）重力總共（gòng）約 640N。則驅動軸需要的扭矩為

取 2 倍安全係數則驅動軸需要的扭矩約93N · m。假設夾持過程需要耗（hào）時 1s，夾持過程驅動軸需要旋轉 60°。則驅動軸所需轉速為 10r/min。電機所（suǒ）需要功率如下 :

考慮後期（qī）提速並且保（bǎo）留（liú）更多（duō）餘（yú）量，電機選用鬆下 200W 伺（sì）服電機，配置速比 150 的減速機（jī）。電機及參數如圖 6 所示。

圖 6 伺服電機及（jí）參數

（2）直線導軌的選擇（zé）

根據上文中計算，直線（xiàn）導軌主要需滿足扭矩需求，為（wéi）確保夾具剛（gāng）性，直（zhí）線（xiàn）導軌在 100N·m扭矩（jǔ）基礎上再取一定安全係數選擇 IAS23-H42-L600 型直線導軌，其行走方向扭矩高達550N · m。具體參數如圖 7 所示。

圖 7 直線導軌參數

（3）夾持板（bǎn）仿（fǎng）真

仿真（zhēn）采（cǎi）用三維軟件自帶插件 ——Simulation，Simulation 是 SolidWorks 公司（sī）推出的一套有限元分析軟件。它（tā）作為嵌入式（shì）分析軟（ruǎn）件與 SolidWorks 無縫（féng）集成，運用simulation，普通工程師就可以進行工程（chéng）分析並可以迅速得到分析結果。

夾具的導軌有（yǒu）具體的參數指標，而且按（àn）照（zhào）很高（gāo）的安全（quán）係數選（xuǎn）取，因此（cǐ）不需要擔心性（xìng）能。夾持（chí）板（bǎn）為關鍵零件且為自（zì）製件，需對其進行仿真分析（xī），上下兩個夾持板完全對稱，因此，對一側夾持板分析（xī）即可。

對需要仿真的模（mó）型參數進（jìn）行設（shè）定，確定零件實際受力方式，如圖 8 所示。夾持板底座固定在導（dǎo）軌滑塊上，兩處（chù）安裝滾輪的（de）夾持軸孔受到夾持的反作（zuò）用力。因（yīn）此，設定夾持板底座為固定，設定夾持軸孔受力，根據角度（dù）分布，其合力（lì）為工件的（de）重力 460N，取一定（dìng）安全係數，取每個夾持孔受力大小為（wéi） 300N，方向垂（chuí）直圓弧切（qiē）麵且反向指向圓心。

圖 8 夾持板參數（shù）設（shè）定

準（zhǔn）備好模型後，對其進（jìn）行網格劃分，如圖9 所示（shì）。

圖 9 夾持（chí）板網格劃分

網格劃分（fèn）好後就可以開始仿真，仿真結果如圖 10、圖 11 所示。可以看到，夾持板的強度和剛性均滿足要求。

圖 10 夾持板強度（dù）仿真結（jié）果

圖 11 夾持板剛度仿真結果

5．結論

本研究通過 SolidWorks 繪製夾具的三（sān）維模型，並且通過計算和仿真確定了夾具的器件及關鍵自製件滿足（zú）設計要（yào）求，為機器人（rén）自動上下料係統的（de）夾具製作及係統（tǒng）製作提（tí）供了理論依據，為用戶提供一（yī）種基於三維（wéi）建模的快速夾（jiá）具設計環境。

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