汽车冲压高速线双臂机械手的抖动问题解析

刘王铖

摘要：冲压高速线双臂机械手是新时代的产物，也是未来制造业的发展趋势，简单点来说，冲压高速线双臂机械手高效替代人工，在一些资金雄厚的企业应用极为广泛。同时，通过对冲压高速线双臂机械手的强度进行检验和计算，冲压高速线双臂机械手的轴承寿命和支座强度都达到安全要求。本项目以汽车冲压高速线上的双臂机械手为对象，围绕机械手在高速运转时存在的抖动问题，开展机械手随动增益参数的优化、滑轮输送带张力的调控、驱动滑轮支承结构的优化设计等方面的研究。可见，汽车冲压线的自动化技术对提高企业的生产效率和稳定的产品质量具有重要意义。

关键词：汽车生产；冲压高速线；机械手；抖动

前言

本文针对某企业汽车高速冲压线所使用的双臂 V形机械手，针对该机械手在高速往复运动时所产生的抖动问题，采用调整滑轮张紧力、改变驱动滑轮支承结构等措施，提高机械手的工作稳定性，具有重要的工业实用和推广意义。同时，随着“工业4.0”、“智能制造2025”等战略的推进，汽车制造技术也在不断地创新。其中，自动化冲压技术是提高生产效率，并保证产品质量稳定的重要手段。同时，采用SolidWorks对机器手的各个部分进行建模，从而对机械手的各个部分进行了外形上的优化，消除多余的材料，从而减轻机械手的重量。并在保证产品性能的前提下，对产品的尺寸和结构进行优化。

1研究机械手抖动的成因

机械手在工作过程中，由于机械手的高速移动，会受到惯性力的影响，经常会出现抖动的现象。然而，当机械手处于静态状态时，也有可能发生振动，这就要求人们对其产生的成因进行深入的分析。机械手在静状态下的抖动问题，一般包括下列内容：

1.1机械结构

机械结构问题是机械手抖动的主要原因之一，这主要有两个方面：一方面，机械手的结构设计不合理。在机械手的设计、制造和安装过程中，存在着诸如机械零部件的尺寸偏差过大、紧固件不紧等问题，这就会造成机械手在移动时的不平稳，进而产生抖动。另一方面，机械臂的阻尼不够。机械手在移动过程中会产生碰撞、振动，若机械手未配置适当的阻尼装置，极易造成机械手的抖动。

在本文中，在高速冲压线中，使用4台伺服电机驱动机械手来完成对压机间零件的搬运，同时还可以实现精确定位和抑制震动的功能。同时，对整线动作过程进行计算检查，并与装置运转干扰曲线相结合，保证最优的运转方式。干涉曲线检查是在端拾器进入、取件、放件、退出的整个过程中，存在的一种潜在的干涉现象。在有干扰危险的情况下，可以选择较小的 SPM (一分钟行程数)的曲线，逐步进行校核，直至符合设计要求。本文提出的双臂 V形机器人的 SPM值是15，也就是最多一分钟生产15个零件。但是，在以上结构方式和功能参数条件下，双臂机械手在回原点位置时的抖动幅度比较大，这对冲压件的产品质量造成了直接的影响。

1.2控制系统

控制系统问题主要有两个方面：一方面，控制编程方面的问题。机械手的控制编程不合理或存在缺陷，会造成机械手的不平稳，进而造成机械手的抖动。另一方面，电机的输出不稳定。电机的输出不稳定会引起机械手在运动时出现抖动。比如，电机的速度不稳定、电机的控制程序有问题等。

1.3环境

环境因素也会对机械手的稳定性产生影响，例如：环境动态干扰，在环境中出现的动态干扰，如风、震动等，会对机械手造成影响，导致机械手产生抖动；温度的改变，温度的改变也会影响到机械手的稳定性，引起机械手的抖动。

1.4操作员

操作员前期在使用调试和编程时，也有可能造成机械手抖动问题，具体表现为操作员在前期操作时，对机械手的一些部分没有充分了解，会带来额外的负载，从而导致机械手的颤抖[1]。因此，需要通过培训和实际操作，掌握各种设备的基本操作流程，熟练掌握设置和调整设备参数的技巧，以及运行调试整个机械设备的能力。

总之，造成机械手抖动的原因有很多，包括机械结构，控制系统，环境，操作人员等。为防止机械手抖动，必须在机械手的设计，制造，安装，使用及维护等各个环节进行强化。

2双臂机械手的最佳方法设计

根据机械手的结构特点，结合实际情况，对机械手的方案进行了优化，包括伺服控制增益参数、皮带轮张紧力等，并按照实际情况，进行分析。同时，机械手抖动的问题，需要人们选用相应的方法进行解决。以下是几种常见的方法：

2.1伺服控制增益参数调整及效果

经过对随动系统的增益参数进行优化，使机械手的抖动效果得到显著的改善。但是，经过一段时间的运行，机械手的抖动会增大，同时机械手的减速器也会出现漏油现象。很明显，单纯的调节增益参数并不能很好的解决这一问题。同时，为减小机械手在往返于原点位置时的抖动，对随动系统的增益参数进行优化和调节。此外，调节改变之前的增益参数可以自由设定，在调节之后，各个伺服增益参数都可以被任意设置，并且随着SPM的改变，可以连续地调节增益值。

2.2皮带轮张紧力调整

由于机械手的反复定位需要通过伺服电机来精确地控制，而机械手的摇摆又受到皮带张紧力的限制。当皮带的张紧力较大时，机械手的振动较小；相反，较低的张紧力会导致操纵器的摇摆。可见，调节皮带张力只能改善机械减速机的漏油现象，而无法从根本上解决机械减速机的抖动问题。同时，通过对机械手皮带张紧力的调节，使其张紧力从12，000牛顿降低到6，500牛顿，并对机械手皮带张紧力与机械臂运动之间的关系进行分析。从曲线检测中可以看出，如果降低皮带的张紧力，则会引起电机的积聚，使其不能达到最大转速，尽管减速器的漏油问题已经得到改进，但是仍存在着机械手的颤抖问题。

2.3皮带轮支撑结构

在进行结构优化之前，双臂机械手使用一种单边支承模式。经观测和实测，发现在高速运行时，机械手的皮带轮的张紧力产生偏差，造成机械手减速器旋转轴的微小变形，致使减速机齿轮润滑油从减速机密封件中排出，造成漏油[2]。为了有效地解决皮带轮张力偏移和减速机减漏油问题，本文在皮带轮转动轴的末端添加支撑结构，也就是将滑轮由单支撑方式变成双支撑方式。通过增大皮带轮旋转轴刚度，减小起振力，防止皮带轮张紧力增大或发生位移，防止皮带轮内部密封套漏油，减小机械手抖动。

3冲压高速线双臂机械手的调试和维护保养注意事项

机械手抖动时可能会影响机械手的精度和稳定性，因此，需要人们及时找到并解决问题。在日常使用中，人们可以定期检查机械手的状态，并采取相应措施进行维护和保养，以延长机械手的使用寿命，提高其工作效率。同时，为了保证冲压高速线双臂机械手的使用效率和安全性，在生产过程中必须进行调试，在日常的调试和维护保养过程中，还需要有专门的方法和相应的措施，良好的调试和维护保养措施可以最大限度的提高冲压高速线双臂机械手的工作效率[3]。

冲压高速线双臂机械手在使其进行测试前，应注意到以下几点：第一，机器手间隔。在换模具的时候，升降机内放置材料，左右机器手必须对齐模具中心。通过对冲压高速线双臂机械手的Z轴向量进行调整，并通过对对应的传感器位置的调整，实现了对机械手之间间距的调节。第二，运转速度。每隔一段时间，检查一下机器的各种性能，然后调整机器运转的速度，一般以中等的速度运转。第三，导轨和轴承。各轴的导向装置和轴承都要保持干净,并具有良好的润滑性。若冲压操作的作业场所有灰尘、尘埃等,则需时常进行导轨的清洁。第四，循环周期。通过观察和聆听，人们可以了解到很多有关该装置的操作情况。只要仔细观察和倾听一些迹象，或者是一些需要调节的迹象，就能在早期检测到机器中的问题。

4结语

针对高速冲压线双臂机械手抖动现象，对机器手伺服控制增益参数的优化、调节皮带轮输送带张力的调整、皮带轮支承结构的优化等进行研究。通过对机器手随动系统的增益参数进行优化，发现单纯的机器手随动系统的增益参数并不能有效地解决机器手的振动振幅过大和减速机的漏油等问题。采用降低皮带轮张紧力的方法，使减速器的漏油现象得到很好的抑制，但却没有得到很好的解决。此外，需要通过对机器手皮带的安全系数、支撑结构的强度进行调整等，能够满足安全系数和使用寿命的要求。

参考文献

[1]于鲁川.汽车外覆盖件冲压生产线送料系统高速稳定运行理论及方法研究[D].山东大学,2021.

[2]张传胜,秦宇飞,赵利锋.串联液压伺服机械手消除抖动的控制算法研究[J].机床与液压,2020,48(15):56-58+87.

[3]姜俊杰. 汽车工厂冲压车间输送系统自动化改造[D].复旦大学,2010.