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立式中空玻璃生產線上下片機械手的設計與分析

添加時間:2021/11/03 來源:未知 作者:樂楓
本文首先介紹了國內外上下片機械手的研究現狀,然后提出了中空玻璃生產線用上下片機械手的總體設計方案,進一步闡述了上下片機械手各部件的結構設計、選型計算、關鍵零部件的有限元分析以及上片機械手的運動學和動力學分析。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著國家建設新農村政策出臺和房地產事業的快速發展,中空玻璃作為房屋的必需品,具有更廣闊的市場前景,然而現階段在制造中空玻璃工藝過程中,仍處于半自動化狀態。人工上片玻璃和人工下片玻璃,使得人工勞動強度大,制造中空玻璃效率低,人工成本高等,嚴重制約了全自動化時代的發展。針對現階段制造中空玻璃工藝流程處于半自動化現狀,本文設計了一種中空玻璃生產線用的上下片機械手。

  本文首先介紹了國內外上下片機械手的研究現狀,然后提出了中空玻璃生產線用上下片機械手的總體設計方案,進一步闡述了上下片機械手各部件的結構設計、選型計算、關鍵零部件的有限元分析以及上片機械手的運動學和動力學分析。詳細的內容有以下幾個方面: (1)根據上下片機械手所處的工作環境、工藝要求以及技術參數要求,確定了中空玻璃生產線用上下片機械手的總體設計方案。

 。2)闡述了上下片機械手的尺寸、末端執行器、基座的設計的細節,并且對電機、減速機、齒輪齒條以及同步齒形帶和吸盤進行選型和計算。

 。3)采用 ANSYS 有限元分析軟件對關鍵零部件進行靜力學分析和模態分析,確保關鍵零部件具有足夠的強度和剛度。

 。4)采用 D-H 表示法建立坐標系,建立運動學方程,得出運動學正解和逆解,利用 ADAMS 驗證其運動學方程正確性。建立拉格朗日動力學方程,采用ADAMS 得出相關圖解,驗證電機、減速機等結構設計的正確性。

 。5)根據控制要求,完成了末端執行器氣路、系統硬件、系統軟件的設計,并制做出樣機,調試結果達到預期要求。

  關鍵詞:自動上下片;機械手;玻璃;運動學;動力學;控制

  Abstract

  With the introduction of the country's new rural construction policy and the rapid development of real estate, insulating glass, as a necessity for houses, has a broader market prospect. However, at this stage, the process of manufacturing insulating glass is still in a semi-automated state. Manual loading of glass and manual loading of glass make manual labor intensive, low efficiency in manufacturing hollow glass, and high labor costs, which severely restrict the development of the fully automated era.

  Aiming at the semi-automatic status of the manufacturing process of insulating glass at this stage, this paper designs a robot for the upper and lower sheets of the insulating glass production line.

  This article first introduces the current research status of loading and unloading manipulators at home and abroad, and then proposes the overall design of the loading and unloading manipulators for the hollow glass production line, and further elaborates the structural design, selection calculation, and finite element of key components of the loading and unloading manipulators. Analysis and kinematics and dynamics analysis of the loading manipulator. The detailed content has the following aspects:

 。1) According to the working environment, process requirements and technical parameter requirements of the loading and unloading manipulator, the overall design plan of the loading and unloading manipulator for the hollow glass production line is determined.

 。2) Explained the details of the size of the upper and lower manipulators, the end effector, and the design of the base, and the selection and calculation of the motor, reducer, rack and pinion, synchronous toothed belt and suction cup.

 。3) Use ANSYS finite element analysis software to conduct static analysis and modal analysis on key components to ensure that the key components have sufficient strength and rigidity.

 。4) Use D-H notation to establish the coordinate system, establish the kinematics equations, obtain the kinematics forward and inverse solutions, and use ADAMS to verify the correctness of the kinematics equations. Establish Lagrangian dynamics equations and use ADAMS to obtain relevant diagrams to verify the correctness of the structural design of motors and reducers.

 。5) According to the control requirements, the design of the end effector gas circuit, system hardware, and system software was completed, and a prototype was made, and the debugging results met the expected requirements.

  Key words: automatic loading and unloading; manipulator; glass; kinematics;dynamics; control

立式中空玻璃生產線上下片機械手

目錄

  第一章 緒論

  1.1 課題研究意義

  我國工業生產線同國外依然存在不小的差距。機械手在制造業、軍事、醫療、流水線等領域得到了廣泛應用,基本實現了工廠生產中從人工向半自動化甚至全自動化的快速對接。然而在制造中空玻璃的工藝過程中,將玻璃運送到流水線上,仍處于人工搬運或者半自動化狀態搬運狀態,不僅生產效率低,人工成本高,而且在搬運過程中容易造成玻璃損壞,影響玻璃的質量。因此提出一種中空玻璃生產線用的上下片機械手。

  上下片機械手同傳統的方式有以下幾個優點:一是提高工作效率,可以不停歇的工作;二是人工成本降低,提高安全性;三是降低損壞率,提高玻璃質量。

  上下片機械手的發展能極大促進全自動化的快速發展。

  1.2 工業機器人國內外研究現狀

  1.2.1 國外研究現狀

  美國喬治?德沃爾在 1954 年設計出一臺可以用來編程序的工業機器人[1].隨 著工業機器人的技術成熟和完善,對工業機器人的標準也會越來越高,機器人的智能化、模塊化和標準化的程度也會越來越高。工業機器人全自動化裝備已經逐漸成為自動化作業的標桿,應用于各個領域,比如軍事領域、醫療領域、農業領域、娛樂領域等。在各種產業工藝流程中,工業機器人扮演著重要的角色。目前國外有名的公司有歐洲的 ABB、意大利的 COMAU、以及日本的安川等。

  國外的機器人主要以歐盟為主[2].在歐盟,主要以瑞典的 ABB 公司為主。

  圖 1-1 所示為其研發的上下料 6 軸機器人 IRB6660-100/3.3.該機器人最大工作半徑 3.35m,承重能力為 100kg,該系列比其系列效率快 15%[3],并且沖壓線擴至 8.7m,坯件尺寸加大,機器人節拍時間縮短。

  ABB 公司推出圖 1-2 所示的第七代工業機器人 IRB6700.工作范圍為 2.6 至3.2 米,在精度、負載和速度方面大幅超越,消耗的功率降低了 15%,總體的可靠性提升,使最大故障間隔時間達到 400000 小時,可用于沖壓線上下料任務。

  日本安川在 2012 年研發出新一代 MOTOMAN-EPH130D(如圖 1-3 所示) 和 EP4000D(如圖 1-4 所示)上下料機器人。MOTOMAN-EPH130D 的系列沖程次數范圍為 8.5-12SPM.EP4000D 的系列沖程次數范圍為 9-14.5SPM.它們采用的是 DX100 控制系統。具有高速指令的處理速度,具有示教編程,多個窗口顯示功能等的特點。

  圖 1-5 為 KMRiiwa 移動機器人,將庫卡輕型協作機械臂 LBRiiwa(intelligentindustrial work assistant)和方位移動機器人結合,使其反應時間更短,靈敏度更高,實現了自動化。

  FANUC[4]采開發了如圖1-6所示的鈑金加工自動化生產線。將機械臂與AGV的組合,讓機器人不僅可以在生產線的工序間實現搬運物料和調度任務,還可根據生產需要調配到任意工序共同進行生產,實現了物料的傳輸及智能無人化生產。

  1.2.2 國內研究現狀

  我國研究工業機器人起步較晚但發展迅速。在國家各種政策之下,經過各大高校,研究院等不懈努力下,我國的工業機器人的技術不斷發展和創新,機器人應用的領域也不斷擴大,到如今工業機器人不斷的取得好成果。

  2016 年田樂帥等[5]人設計了的一種沖床上下料機械手,見圖 1-7.該機械手動作簡單、節拍次數高、工作穩定、速度位置精度高,代替人工完成鈑金件的吸放和搬運工作。

  2018 年張金嬰[6]在傳統的傳送帶式的光伏生產線上的基礎上,設計并開發出了一臺上下料機器人,見圖 1-8.該機器人適應晶硅電池生產的需求,能進行光伏電池片實驗檢測,具有柔化性特點,并且提高了生產線的靈活度。

  2019 年王澤輝等人設計了一種圖 1-9 所示的搖臂式自動上下料機器人,滿足了中小型企業機床上下料任務[7].該上下料機器人代替人工勞動進行上下料,在工作時能夠穩定快速的完成任務,具有穩定性、準確性、效率高以及高性價比4 個優勢。

  2020 年鮑業泉設計了一款食品封裝線作業協同機器人[8],圖 1-10 為該機器人工作時的圖片。它能夠較好的完成與備料輸送線的定位抓取配合,并能在滿足封裝線生產周期 13.5s 的前提下,依次將 4 個產品放入到封裝工位的協同作業,提高了工作效率。

  2020 年陳銳鴻等人[9]設計了圖 1-11 所示的變速箱齒輪嚙合測試機上下料機械手。它基于 PLC 為控制系統,合理規劃機械手路徑使用變址寄存器方法調用不同機種的點位位置參數,效率提高了 14%,成本降低 1/3.

  2021 年付鐵等人研發了一種可用于激光打標機的自動上下料機械手,如圖1-12 所示。該機械手主要由升降機構、擺動機構和物料抓放機構組成,并采用PLC 實現控制,很好的完成了激光打標操作過程中的自動上下料任務,保證了激光過程的操作安全[10].

  1.3 上下片機械手存在問題和發展趨勢

  1.3.1 機械手存在問題

 。1)工作效率低,現今的中空玻璃機械手每分鐘僅僅能夠吸取玻璃 2-3 個,生產節拍慢;

 。2)吸力不能控制的很好,很多廠家一直在研制中空玻璃上下機械手,但對于吸取玻璃這一塊總是失誤,經常會吸不起來,有時吸起一定高度,由于某個地方漏氣或者吸力不夠導致玻璃掉落;

 。3)局限性大,在玻璃制造中,會有不同規格大小的玻璃進行制造,加工,然后出成品,現今研制的上下料機械手只能吸取特定尺寸的玻璃,這樣會大大加重制造玻璃廠家的成本,不能實現一機可以吸取多種不同規格的玻璃;

 。4)機械手不能精準的控制每一個動作,在運行過程中,經常會由于慣性機器停不下來,導致后面出現差錯,整個機器的協調性還不夠順暢,生產節拍有時也跟不上,整臺機器的技術不夠成熟;(5)噪聲大,在運行過程中,由于機器之間的不協調,各部件之間運用的不準確,采用的零件不準確,導致在生產過程中,噪音太大;

 。6)出成品時,中空玻璃表面會經常帶有一些灰塵,不夠干凈,還得進行人工擦拭,增加人工成本。

  1.3.2 機械手的發展趨勢
  隨著制造業全自動化的時代到來。在制造業產業中,工藝過程對上下料機械手的要求會越來越高。上下料機械手的發展趨勢主要表現在以下幾個方面:

 。1)成本低,結構簡單;

 。2)能夠一機吸取不同規格尺寸的玻璃,同時對于表面光滑且形成密封狀態的物品都能夠進行吸取,實現跨越種類的吸;(3)工作高效化,增加各部件之間的協調性,提高上下料機械手上料和下料的速度顯得尤為重要; (4)可視化,基于視覺的機械手能夠區分玻璃的尺寸,抓取玻璃到指定位置;(5)可靠性和重復精度高,提高機械手的質量和工作精度。高可靠性和重復高精度機械手是未來發展的必然趨勢[11].

  1.4 主要研究內容和方法

  1.4.1 課題來源
  本課題來源于河北省高等學?茖W研究重點項目(項目編號為ZD2019058)。

  1.4.2 研究內容

  根據中空玻璃生產工藝流程中上料工位和下料工位的實際生產需求,設計一種用于中空玻璃生產線用的上下片機械手,該機械手主要代替人工在中空玻璃生產線中完成玻璃的上片和下片任務。研究的內容主要有:

 。1)針對現階段中空玻璃生產線工作環境、工藝流程以及相關的部分技術參數基本情況,確定了機械手的功能需求和工作流程,對傳送系統以及機械手各部件進行結構設計方案,提出了總體結構方案設計。

 。2)主要確定了機械手的尺寸,完成了機械手各部件的結構設計,并且對電機、同步帶、減速機等進行計算選型。

 。3)主要對上片機械手的關鍵零部件進行有限元分析,強度校核。采用ANSYS 有限元軟件對關鍵零部件進行靜力學分析和模態分析。

 。4)采用 D-H 法建立運動學方程,得出正解和逆解,利用 ADMAS 進行運動學分析。采用拉格朗日方程,建立動力學方程,利用 ADMAS 進行仿真分析。

 。5)主要完成了氣路系統、系統硬件和系統軟件的設計,并且對相關部件進行選型。

  1.4.3 研究方法

 。1)通過查閱大量文獻結合實際情況,并且去工作場地觀察,分析機械手的工作環境和工作基本要求,確定自由度和結構。 (2)對機械手進行整體以及各個部分的方案設計,通過生產玻璃流程,確定機械手的工藝流程以及參數要求,對機械手的各個零件進行選型計算,對各個部分零件進行設計。

 。3)設計出機械手,通過 SOLIDWORKS 畫出三維圖,通過 ANSYS 對一些零件做靜力學分析,來驗證這些零件寬度、直徑等尺寸是否合適,對相關零件做模態分析,保證電機和這些零件在工作過程中不發生共振。

 。4)通過 D-H 法建立坐標系,建立坐標系方程,利用 ADAMS 軟件進行運動學仿真,來驗證運動學分析的正確性。

 。5)建立動力學方程,通過 ADAMS 進行動力學仿真,驗證電機和減速機等選型的正確性,通過相關的參數確定樣機,制作出樣機,進行調試。

  第二章 中空玻璃生產線用上下片機械手總體方案設計

  2.1 中空玻璃的生產工藝路線

  2.2 上下片機械手的工藝要求和技術參數要求

  2.2.1 上下片機械手的工藝要求

  2.2.2 上下片機械手的參數要求

  2.3 機械手的結構設計方案

  2.3.1 自由度與動作設計

  2.3.2 升降和前后傳送部件的方案設計和選擇

  2.3.3 傳送系統部分的方案確定

  2.3.4 機械手吸盤的選型

  2.3.5 運輸機架的方案設計

  2.3.6 總體結構方案設計

  2.4 本章小結

  第三章 中空玻璃生產線用上下片機械手結構設計

  3.1 機械手的尺寸確定

  3.1.1 機械手臂的尺寸確定

  3.1.2 末端執行器的尺寸確定

  3.2 械手關鍵零部件選型計算

  3.2.1 減速機的選型和計算

  3.2.2 電機的選型和計算

  3.2.3 齒輪齒條的選型和計算

  3.2.4 同步齒形帶的選型和計算

  3.2.5 直線導軌的選型和計算

  3.2.6 吸盤的選型和計算

  3.3 本章小結

  第四章 關鍵零部件有限元分析

  4.1 光軸的有限元分析

  4.1.1 光軸的強度校核

  4.1.2 光軸的靜力學分析

  4.1.3 光軸的模態分析

  4.2 玻璃的有靜力學分析

  4.3 末端執行器機架的靜力學分析

  4.4 本章小結

  第五章 上片機械手的運動學和動力學分析

  5.1 剛體的齊次變換和 D-H 表示法

  5.1.1 剛體的位姿和齊次變換

  5.1.2 D-H 表示法

  5.2 上片機械手運動學分析

  5.2.1 機械手運動學正解

  5.2.2 機械手運動學逆解

  5.2.3 機械手運動學分析算例

  5.2.4 機械手運動學仿真分析

  5.3 動力學分析

  5.3.1 拉格朗日動力學理論

  5.3.2 動力學方程

  5.3.3 動力學仿真分析

  5.4 本章小結

  第六章 上下片機械手控制系統設計及樣機調試

  6.1 氣路系統設計

  6.2 控制系統的設計

  6.2.1 系統組成

  6.2.2 控制任務要求

  6.2.3 控制系統方案設計

  6.3 系統硬件設計

  6.3.1 PLC 選型

  6.3.2 PLC 系統輸入/輸出系統的設計

  6.3.3 輸入電路設計

  6.3.4 電器接線圖的設計

  6.4 機械手控制系統軟件設計

  6.4.1 觸摸屏

  6.4.2 機械手系統人機界面設計

  6.4.3 主控界面

  6.4.4 PLC 程序設計

  6.5 上下片機械手物理樣機和調試

  6.6 本章小結

  總結與展望

  1.課題研究工作總結

  本文針對生產中空玻璃流水線中自動化程度低、需人工參與等的現狀進行研究,設計出了一個立式中空玻璃生產線上下片機械手,主要研究內容和結論如下:

 。1)通過查閱資料和觀察實地,分析了機械手的工作環境和基本要求以及工作相關參數。確定了自由度和機械手的結構簡圖,整體的設計方案。

 。2)確定了機械手結構、驅動方式和傳動結構,并完成了選型計算,采用仿真法驗證了選型的正確性。

 。3)建立了機械手的運動學和動力學模型,并采用過 Adams 工程軟件仿真驗證了機械手運動學和動力學的正確性。 (4)通過機械手的各種動作,確定機械手外部的系統硬件,PLC 的選型,I/O 分配表的編寫,輸入和輸出電路設計,軟件方面的設計,根據機械手的各種參數以及動作,設計出觸摸屏的相關功能以及 PLC 梯形圖的編寫,最終完成了立式中空玻璃上下片機械手的樣機制作及調試。 (5)生產節拍達至 5-6 片,吸盤能夠穩定的吸取玻璃,整個流程非常流暢,達到預期效果,補足了現今的一些缺陷。

  2.展望

  經樣機調試,該機械手還存在一些不足之處,需從對以下方面做進一步研究(1)對于機械手的結構設計,體積大,質量大,應該進一步進行優化結構,從而減輕重量,減小體積。

 。2)研究視覺引導的機械手,在上下片過程中對玻璃進行檢測、分級,提高中空玻璃生產線的智能化。

  參考文獻

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致謝

  指縫很寬,時間太瘦,悄悄從指縫間溜走。我人生的第一階段學生生涯即將畫上句號,我也即將離開這風景優美、環境清新的秦皇島;叵肫疬@么多年的學習和生活,不禁感慨萬千。從最初的焦躁、忐忑,到期間的迷茫、慌亂,再至最后的自信、淡然。通過敬愛的導師張亮和親愛的同學不斷解惑和鼓勵,堅實的走完了求學生涯的最后一段旅程。因此論文即將完成之際,由衷地向諸位老師和同學以及支持我的家人表示我最誠摯的謝意,感謝你們這么多年來在我的生活、學習、科研、工作中給予的鼓勵、關心、支持和幫助。

  我要特別感謝我的導師張亮,感謝張老師在學業上給予我的殷切關懷和耐心指導。張老師寬厚謙和、平易近人的性格,淵博廣闊、嚴謹求實的治學態度,兢兢業業、求真務實的工作作風給我留下了深深的印象。同時,我還要感謝滄州德躍機械科技有限公司給予的實習平臺,讓我的專業知識更加鞏固,感謝滄州德躍機械科技有限公司員工蘇杰等人在生活和學習上給予我最大的幫助和教導。

  感謝校外導師河北水利電力學院機電學院張鐵壁老師對我生活上無微不至的關懷,感謝校外河北水利電力學院王文成老師等人對我學術的指導,同時,我還要感謝我學生生涯所有給予我幫助的老師和同學。最后,我要感謝我的家人,感謝他們一直以來對我的理解、鼓勵和支持。

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