采用機器人上下料的輪轂夾具設計與分析
【摘要】: 工業機器人越來越多的應用到智能制造領域，最典型的應用之一就是配合數控機床實現機床自動上下料，從而實現一定程度的無人值守，提高生產效率，降低人工成本。結合實際情況，本文首先對機器人進行了選型，然后對夾具進行設計和分析，為系統制造提供依據。
機器人技術是機械、電子、軟件等多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和制造業的不斷升級，采用工業機器人代替人工生產，實現自動化、無人化、智能化，可以有效降低企業生產成本，提高經濟效益。本文在選定成熟機器人的基礎上，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系統的功能。本文采用 SolidWorks軟件進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、渲染等功能于一體，能夠方便快捷實現產品設計跟優化。
1. 機器人上下料系統整體設計
如圖 1 所示，數控車加工中心為主體設備，機器人放置在車床正前方，機器人左側可設置傳送線用于待加工零件的來料，機器人右側可設置傳送線用于已加工零件的走料。機器人跟車床之間通常需要留有約 1 米的間距，如果機器人出現故障，可臨時沿用傳統的人工吊裝等方式實現上下料，不耽誤生產。
圖 1 機器人上下料系統整體
2. 工業機器人
工業機器人根據用途有不同的類型可以選擇，本文中上下料需要機器人有更多的自由度，因此本文選擇六自由度機器人。由于零件重量為46kg，夾具重量假設跟零件重量相當，則機器人末端負載約 100kg?？紤]機器人高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 機器人主要技術參數
3. 夾具設計
夾具作為系統的主要部件之一，在設計的時候需要確保其穩定可靠。首先，需要分析被夾持工件的特點，被夾持的工件是回轉件，其材料為鋁合金，其重量約 46kg，夾持的時候不能損傷工件表面。其次，分析夾持要求，夾持的時候需要同時考慮夾持和定位，工件被定位后才能準確抓取到機床上?；谏鲜鰲l件，夾具的構想方案如圖 3 所示，夾具具備兩個夾持板，夾持板上設置 2 個能夠滾轉的輪子用于夾持過程中工件跟夾具實現自適應定心。同時，夾持板能夠在夾具基座上相對滑動，并且需要保持一定的剛性。
圖 3 夾具方案
加工生產，效率是非常重要的因素之一，為了提高夾持響應，本文采用連桿驅動的方式，驅動夾持板的夾持和松開動作。同時，為了實現夾持定心，則需要兩個夾持板能夠繞夾具中心同步夾持和張開。為此，連桿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為機構對應的滑塊，如圖 4 所示。
圖 4 雙曲柄滑塊機構
4. 夾具計算及分析
（1）驅動電機計算及選擇
圖 5 連桿尺寸
如圖 5 所示，驅動軸旋轉帶動曲柄旋轉，曲柄帶動連桿拉動滑塊運動，在圖示處實現夾具對輪轂的夾持，此時曲柄垂直連桿，輸出力最大。
分析連桿受到的拉力，乘上一定的安全系數就能得到驅動軸所需要的扭矩，在圖 5 所示狀態下，下連桿受到的拉力最大，為一側夾持板及滑持板、滑塊、工件的重力合計約 550N。注意到，上夾持板及滑塊的重力同樣通過上連桿作用到驅動軸上，因此還需要增加上夾持板及滑塊的重力約 90N，作用在驅動軸上的重力總共約 640N。則驅動軸需要的扭矩為
取 2 倍安全系數則驅動軸需要的扭矩約93N · m。假設夾持過程需要耗時 1s，夾持過程驅動軸需要旋轉 60°。則驅動軸所需轉速為 10r/min。電機所需要功率如下 :
考慮后期提速并且保留更多余量，電機選用松下 200W 伺服電機，配置速比 150 的減速機。電機及參數如圖 6 所示。
圖 6 伺服電機及參數
（2）直線導軌的選擇
根據上文中計算，直線導軌主要需滿足扭矩需求，為確保夾具剛性，直線導軌在 100N·m扭矩基礎上再取一定安全系數選擇 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）夾持板仿真
仿真采用三維軟件自帶插件 ——Simulation，Simulation 是 SolidWorks 公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與 SolidWorks 無縫集成，運用simulation，普通工程師就可以進行工程分析并可以迅速得到分析結果。
夾具的導軌有具體的參數指標，而且按照很高的安全系數選取，因此不需要擔心性能。夾持板為關鍵零件且為自制件，需對其進行仿真分析，上下兩個夾持板完全對稱，因此，對一側夾持板分析即可。
對需要仿真的模型參數進行設定，確定零件實際受力方式，如圖 8 所示。夾持板底座固定在導軌滑塊上，兩處安裝滾輪的夾持軸孔受到夾持的反作用力。因此，設定夾持板底座為固定，設定夾持軸孔受力，根據角度分布，其合力為工件的重力 460N，取一定安全系數，取每個夾持孔受力大小為 300N，方向垂直圓弧切面且反向指向圓心。
圖 8 夾持板參數設定
準備好模型后，對其進行網格劃分，如圖9 所示。
圖 9 夾持板網格劃分
網格劃分好后就可以開始仿真，仿真結果如圖 10、圖 11 所示?？梢钥吹?，夾持板的強度和剛性均滿足要求。
圖 10 夾持板強度仿真結果
圖 11 夾持板剛度仿真結果
5．結論
本研究通過 SolidWorks 繪制夾具的三維模型，并且通過計算和仿真確定了夾具的器件及關鍵自制件滿足設計要求，為機器人自動上下料系統的夾具制作及系統制作提供了理論依據，為用戶提供一種基于三維建模的快速夾具設計環境。
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