目前國(guó)內(nèi)對(duì)空心線圈的制造主要是通過人工將線板纏繞到線板上，不僅所需要的人工投入大，而且纏繞錯(cuò)誤還會(huì)導(dǎo)致廢品率上升，總體來說我國(guó)的空心線圈生產(chǎn)效率非常低。國(guó)外在生產(chǎn)空心線圈方面比較成熟，空心線圈生產(chǎn)線主要依靠由多個(gè)自動(dòng)化設(shè)備協(xié)同完成，其中機(jī)械手的上料以及精準(zhǔn)機(jī)對(duì)線圈的精準(zhǔn)纏繞至關(guān)重要。因此，合理對(duì)空心線圈繞線機(jī)的機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是能正常高效生產(chǎn)空心線圈的關(guān)鍵因素。
1 主要研究?jī)?nèi)容
空心線圈的生產(chǎn)線離不開機(jī)械手的高效應(yīng)用，在線圈纏繞完畢后成為半成品，這時(shí)候的線圈需要進(jìn)過一定的處理才能加工為成品。然而剛加工為半成品的線圈溫度很高，依靠人工取下再安裝到精準(zhǔn)機(jī)上需要耗費(fèi)很多的時(shí)間。本研究旨在設(shè)計(jì)一種能多角度活動(dòng)的機(jī)械手系統(tǒng)，在對(duì)線圈生產(chǎn)過程中進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)模擬的結(jié)果確定一套優(yōu)化方案，使機(jī)械手能完成從上料到裝備到精準(zhǔn)機(jī)主軸上的一系列運(yùn)動(dòng)。具體的研究?jī)?nèi)容如下：
（1）對(duì)當(dāng)前幾種上下料機(jī)械手的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)所要完成的功能以及幾種機(jī)械手的原理確定出設(shè)計(jì)目標(biāo)和優(yōu)化路線，確定設(shè)計(jì)方案。
（2）根據(jù)設(shè)計(jì)方案以及機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手連接零件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)零件的變形、應(yīng)力云圖進(jìn)行論證分析，分析零件的動(dòng)力學(xué)性能確定所選材料。
（3）對(duì)確定好的機(jī)械手進(jìn)行最佳參數(shù)優(yōu)化，改善運(yùn)動(dòng)副所受傾覆力矩，減少機(jī)械手零件的最大受力，增加生產(chǎn)線的使用壽命。
（4）運(yùn)用solidworks、ANSYS等軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行仿真模擬分析，驗(yàn)證各個(gè)部件的設(shè)計(jì)是否合理，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，提高機(jī)械手精準(zhǔn)度的同時(shí)降低制造的成本。
2 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
2.1 上下料機(jī)械手系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1.1 繞線原理
線圈的生產(chǎn)主要依靠斜繞式的方法，這種繞線方法的優(yōu)點(diǎn)是纏繞簡(jiǎn)單不需要多余的動(dòng)作，而且纏繞的線圈排線緊密，這種斜繞式的纏線方法非常適合線圈的批量生產(chǎn)。根據(jù)實(shí)際需要，在生產(chǎn)不同直徑線圈的時(shí)候，如果線圈的直徑發(fā)生了改變，只需要將所對(duì)應(yīng)的線圈芯軸套更換即可，不同型號(hào)的線圈對(duì)應(yīng)著不同尺寸的芯軸。在加工線圈的過程中，線嘴沿著芯軸做直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)芯軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，繞制出的銅線軌跡為斜線。
2.1.2 線圈生產(chǎn)的主要流程
由機(jī)械手將未加工的線圈安裝到主軸上，然后繞線機(jī)通過斜繞式的方法將銅線纏繞到線圈上，然后經(jīng)過精準(zhǔn)機(jī)主軸，再到精準(zhǔn)機(jī)精準(zhǔn)線圈，最后完成線圈的生產(chǎn)。本研究需要對(duì)上下料的機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在使機(jī)械手能配合繞線機(jī)跟精準(zhǔn)機(jī)正常對(duì)接，完成線圈的自動(dòng)化生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)的初期，需要確定上下料所需要的空間以及對(duì)接位置，即繞線機(jī)末端線圈心軸套筒軸線與精準(zhǔn)機(jī)主軸的位置關(guān)系，確認(rèn)位置及對(duì)接關(guān)系后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)械手的位置以及每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，既能解決空間問題，還能盡可能的節(jié)約能源，降低成本。
2.2 機(jī)械手自由度分析
機(jī)械手需要在繞線機(jī)和精準(zhǔn)機(jī)之間組裝線圈，使線圈的加工經(jīng)過繞線機(jī)末端到精密機(jī)床主軸的一系列動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要安裝在繞線機(jī)和精準(zhǔn)機(jī)之間。為了完成繞線機(jī)和精密機(jī)器之間的線圈組裝，本研究確定了機(jī)械手的執(zhí)行動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作通過哪些運(yùn)作完成，以及完成動(dòng)作需要多少自由度，從而確定機(jī)械手的類型。機(jī)械手需要完成的主要?jiǎng)幼鳛椋?
在機(jī)械手從繞線機(jī)的初始位置移動(dòng)到終止位置這個(gè)過程中，機(jī)械手抓住線圈并移動(dòng)到中間位置，將線圈組裝到精準(zhǔn)機(jī)的主軸上。在機(jī)械手向繞線機(jī)機(jī)移動(dòng)過程中，可以通過沿直線方向移動(dòng)對(duì)來實(shí)現(xiàn)該這一動(dòng)作，這個(gè)運(yùn)動(dòng)確定一個(gè)自由度，設(shè)定為 X 軸移動(dòng)副；機(jī)械手的抓取線圈和松開線圈可以通過正向和負(fù)向的線性運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，完成這個(gè)動(dòng)作，可以通過沿直線方向的手爪夾持移動(dòng)副。由于生產(chǎn)線存在擋板，離開繞線機(jī)的動(dòng)作需要繞開擋板，所以機(jī)械手在移動(dòng)時(shí)需要在垂直方向上向上移動(dòng)一段位移，然后水平繞過擋板，這兩個(gè)動(dòng)作是水平方向的，自由度與第一個(gè) X 軸移動(dòng)對(duì)相同。豎直方向單獨(dú)確定一個(gè)移動(dòng)自由度，設(shè)定為 Z 軸移動(dòng)副，Z 與重力加速度方向相反；最后的裝配動(dòng)作需要水平面垂直X方向的另一個(gè)移動(dòng)副輔助完成動(dòng)作，定為第四個(gè)自由度，設(shè)定為 Y 移動(dòng)副。因此確定機(jī)械手 4 個(gè)自由度，即 3 個(gè)移動(dòng)自由度，1 個(gè)手爪夾持自由度，3 個(gè)移動(dòng)副為直角坐標(biāo)系下的，手爪夾持自由度為 z 軸方向上的。
3 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真模擬
使用三維繪圖軟件solidworks構(gòu)建機(jī)械手幾何模型，隨后將幾何模型文件導(dǎo)入 ANSYS 中，設(shè)定重力加速度單位，
并將 X 絲杠設(shè)定為接地。將靜止的連接部件之間設(shè)置固定副，機(jī)械手和絲杠設(shè)置為移動(dòng)副，結(jié)合流水線生產(chǎn)的參數(shù)，將參數(shù)設(shè)置到移動(dòng)副中。用 step 函數(shù)對(duì) 3 個(gè)不同的移動(dòng)副進(jìn)行計(jì)算，由機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)間分配以及對(duì)速度的控制。
比較實(shí)際模型和理想模型的輸出結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)速度變量在實(shí)際情況下和理想狀態(tài)下是一樣的。但是力量和力矩變量之間具有一定的差異。針對(duì)結(jié)果的差異性分析主要原因是在模型建立的過程中對(duì)某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過驗(yàn)證，誤差對(duì)模擬結(jié)果造成的影響在能夠接受的范圍內(nèi)，說明了本研究中設(shè)計(jì)得出的機(jī)械手承載能力完全滿足工業(yè)生產(chǎn)線的要求。對(duì)模型進(jìn)行理想化處理的主要原因是為了分析機(jī)械手連接器位置以及質(zhì)量是否會(huì)因?yàn)檫B接器的變化受到影響。本文對(duì)機(jī)械手的受力結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，提出了一定的優(yōu)化措施，具體內(nèi)容如下：
（1）通過建立新直角坐標(biāo)系的方法對(duì)機(jī)械手的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)各重要部件的受力情況對(duì)材料進(jìn)行了優(yōu)化，并改變了機(jī)械手的運(yùn)行規(guī)劃。
（2）將設(shè)計(jì)的方案與機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)此分析，對(duì)具體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可行性進(jìn)行了討論并確定了零件的最終選型；對(duì)機(jī)械手在生產(chǎn)線中上下料的動(dòng)作進(jìn)行了仿真模擬分析；對(duì)機(jī)械手避開危險(xiǎn)位置進(jìn)行了仿真分析,并驗(yàn)證了規(guī)避方案的可行性。
（3）在 ANSYS 下對(duì)機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，以機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)X移動(dòng)副所受力矩為目標(biāo)函數(shù)，提出模組之間安裝位置變量的 3 個(gè)參數(shù)，通過若干次試驗(yàn)以最小目標(biāo)力矩為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，求出實(shí)驗(yàn)中的最小值對(duì)應(yīng)的 3 個(gè)參數(shù)變量，通過最優(yōu)解確定安裝時(shí)模組之間的最佳安裝位置。
（4）在 ANSYS 中分析了機(jī)械手模態(tài)振型，對(duì)重要零部件進(jìn)行了應(yīng)力分析，利用拓?fù)鋬?yōu)化學(xué)對(duì)零部件的選材進(jìn)行了減重優(yōu)化，在減少集中應(yīng)力的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)了精密部件的承載能力，延長(zhǎng)了機(jī)械手的使用周期。
精密平行繞線機(jī)
精密環(huán)型繞線機(jī)
自動(dòng)飛叉繞線機(jī)
全自動(dòng)設(shè)備系列
精密線圈
包膠線圈
精密馬達(dá)線圈
空芯線圈
變壓器線圈