目前國內(nèi)對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，而且纏繞錯誤還會導致廢品率上升，總體來說我國的空心線圈生產(chǎn)效率非常低。國外在生產(chǎn)空心線圈方面比較成熟，空心線圈生產(chǎn)線主要依靠由多個自動化設備協(xié)同完成，其中機械手的上料以及精準機對線圈的精準纏繞至關(guān)重要。因此，合理對空心線圈繞線機的機械手進行優(yōu)化設計，是能正常高效生產(chǎn)空心線圈的關(guān)鍵因素。
1 主要研究內(nèi)容
空心線圈的生產(chǎn)線離不開機械手的高效應用，在線圈纏繞完畢后成為半成品，這時候的線圈需要進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機上需要耗費很多的時間。本研究旨在設計一種能多角度活動的機械手系統(tǒng)，在對線圈生產(chǎn)過程中進行仿真模擬，根據(jù)模擬的結(jié)果確定一套優(yōu)化方案，使機械手能完成從上料到裝備到精準機主軸上的一系列運動。具體的研究內(nèi)容如下：
（1）對當前幾種上下料機械手的特點以及優(yōu)缺點進行調(diào)查，根據(jù)所要完成的功能以及幾種機械手的原理確定出設計目標和優(yōu)化路線，確定設計方案。
（2）根據(jù)設計方案以及機械手的動作進行結(jié)構(gòu)設計，對機械手連接零件進行仿真模擬，對零件的變形、應力云圖進行論證分析，分析零件的動力學性能確定所選材料。
（3）對確定好的機械手進行最佳參數(shù)優(yōu)化，改善運動副所受傾覆力矩，減少機械手零件的最大受力，增加生產(chǎn)線的使用壽命。
（4）運用solidworks、ANSYS等軟件對機械手進行仿真模擬分析，驗證各個部件的設計是否合理，運用拓撲優(yōu)化的方法，對不合理的結(jié)構(gòu)進行改善，提高機械手精準度的同時降低制造的成本。
2 機械手總體方案設計
2.1 上下料機械手系統(tǒng)方案設計
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)點是纏繞簡單不需要多余的動作，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)實際需要，在生產(chǎn)不同直徑線圈的時候，如果線圈的直徑發(fā)生了改變，只需要將所對應的線圈芯軸套更換即可，不同型號的線圈對應著不同尺寸的芯軸。在加工線圈的過程中，線嘴沿著芯軸做直線運動，電動機帶動芯軸勻速轉(zhuǎn)動，繞制出的銅線軌跡為斜線。
2.1.2 線圈生產(chǎn)的主要流程
由機械手將未加工的線圈安裝到主軸上，然后繞線機通過斜繞式的方法將銅線纏繞到線圈上，然后經(jīng)過精準機主軸，再到精準機精準線圈，最后完成線圈的生產(chǎn)。本研究需要對上下料的機械手進行設計，旨在使機械手能配合繞線機跟精準機正常對接，完成線圈的自動化生產(chǎn)。在設計的初期，需要確定上下料所需要的空間以及對接位置，即繞線機末端線圈心軸套筒軸線與精準機主軸的位置關(guān)系，確認位置及對接關(guān)系后根據(jù)實際情況對機械手的位置以及每個動作進行設計，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 機械手自由度分析
機械手需要在繞線機和精準機之間組裝線圈，使線圈的加工經(jīng)過繞線機末端到精密機床主軸的一系列動作。本文設計的機械手需要安裝在繞線機和精準機之間。為了完成繞線機和精密機器之間的線圈組裝，本研究確定了機械手的執(zhí)行動作，每個動作通過哪些運作完成，以及完成動作需要多少自由度，從而確定機械手的類型。機械手需要完成的主要動作為：
在機械手從繞線機的初始位置移動到終止位置這個過程中，機械手抓住線圈并移動到中間位置，將線圈組裝到精準機的主軸上。在機械手向繞線機機移動過程中，可以通過沿直線方向移動對來實現(xiàn)該這一動作，這個運動確定一個自由度，設定為 X 軸移動副；機械手的抓取線圈和松開線圈可以通過正向和負向的線性運動來實現(xiàn)，完成這個動作，可以通過沿直線方向的手爪夾持移動副。由于生產(chǎn)線存在擋板，離開繞線機的動作需要繞開擋板，所以機械手在移動時需要在垂直方向上向上移動一段位移，然后水平繞過擋板，這兩個動作是水平方向的，自由度與第一個 X 軸移動對相同。豎直方向單獨確定一個移動自由度，設定為 Z 軸移動副，Z 與重力加速度方向相反；最后的裝配動作需要水平面垂直X方向的另一個移動副輔助完成動作，定為第四個自由度，設定為 Y 移動副。因此確定機械手 4 個自由度，即 3 個移動自由度，1 個手爪夾持自由度，3 個移動副為直角坐標系下的，手爪夾持自由度為 z 軸方向上的。
3 機械手動力學仿真模擬
使用三維繪圖軟件solidworks構(gòu)建機械手幾何模型，隨后將幾何模型文件導入 ANSYS 中，設定重力加速度單位，
并將 X 絲杠設定為接地。將靜止的連接部件之間設置固定副，機械手和絲杠設置為移動副，結(jié)合流水線生產(chǎn)的參數(shù)，將參數(shù)設置到移動副中。用 step 函數(shù)對 3 個不同的移動副進行計算，由機械手運動時間分配以及對速度的控制。
比較實際模型和理想模型的輸出結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)速度變量在實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。針對結(jié)果的差異性分析主要原因是在模型建立的過程中對某些關(guān)鍵零部件進行了簡化。通過驗證，誤差對模擬結(jié)果造成的影響在能夠接受的范圍內(nèi)，說明了本研究中設計得出的機械手承載能力完全滿足工業(yè)生產(chǎn)線的要求。對模型進行理想化處理的主要原因是為了分析機械手連接器位置以及質(zhì)量是否會因為連接器的變化受到影響。本文對機械手的受力結(jié)果進行了進一步的分析，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系的方法對機械手的各個模塊進行仿真模擬，根據(jù)各重要部件的受力情況對材料進行了優(yōu)化，并改變了機械手的運行規(guī)劃。
（2）將設計的方案與機械手的整體結(jié)構(gòu)進行了對此分析，對具體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可行性進行了討論并確定了零件的最終選型；對機械手在生產(chǎn)線中上下料的動作進行了仿真模擬分析；對機械手避開危險位置進行了仿真分析,并驗證了規(guī)避方案的可行性。
（3）在 ANSYS 下對機械手進行動力學仿真，以機械手運動時X移動副所受力矩為目標函數(shù)，提出模組之間安裝位置變量的 3 個參數(shù)，通過若干次試驗以最小目標力矩為實驗對象，求出實驗中的最小值對應的 3 個參數(shù)變量，通過最優(yōu)解確定安裝時模組之間的最佳安裝位置。
（4）在 ANSYS 中分析了機械手模態(tài)振型，對重要零部件進行了應力分析，利用拓撲優(yōu)化學對零部件的選材進行了減重優(yōu)化，在減少集中應力的基礎上,加強了精密部件的承載能力，延長了機械手的使用周期。
精密平行繞線機
精密環(huán)型繞線機
自動飛叉繞線機
全自動設備系列
精密線圈
包膠線圈
精密馬達線圈
空芯線圈
變壓器線圈