【《汽车轮毂轴承产品的人机混合生产系统优化设计》10000字（论文）】

汽车轮毂轴承产品的人机混合生产系统优化设计目录摘要 1TOC\o"1-3"\u1绪论 31.1人机混合生产 31.2汽车轮毂轴承生产 51.3机械手 62汽车轴承生产线 82.1组装生产线的现场情况 82.2组装生产线的布局优化 93机械结构方案设计及分析 123.1总体机构 123.2总体机构动力学模态分析 133.3总体机构有限元分析 143.4夹取机构 163.5夹爪静力学分析 174结论 21参考文献 23摘要：对于我国劳动力成本不断上升的今天，为了达到降低生产成本、保证产品质量的目的，采用机器代替人工作业在生产制造中得到了较为广泛的应用，由于能够降低成本的缘故，使其在市场竞争中始终占有一席之位。然而，随着科技的不断发展和进步，企业开始不断追求无人化以及自动化，但是实际上，全自动化技术并不能完全解决生产系统中会遇到的所有问题。例如在汽车轴承生产制造中，由于轴承结构的特殊性，实现全自动化生产比实现普通生产难度要大很多，因此汽车轮毂轴承组装生产线上多个相邻工位间的局部全自动生产成为汽车轴承生产中亟待解决的一个挑战。本文通过对中国生产制造行业的历史追溯和对目前现状的对比分析发现，采用人机混合生产代替传送带和全自动生产是大势所趋，只有这种生产方式才可以达到大幅度降低生产成本的目的。随后以生产制造汽车轴承的实际案例对人机混合生产的概念加以验证说明，分别从汽车轴承生产线的工艺流程和现场布局这两个角度出发对生产现场进行了适当的优化。优化后对能够改善生产现状的自动搬运机械手的总体机构和夹取机构进行了设计分析，并利用Solidworks三维机械设计软件分别对机械手的总体机构进行了动力学模态及有限元分析，对夹爪进行了静力学分析。关键词：人机混合生产；人机协同；人机一体化系统；布局优化；自动搬运机械手1绪论现如今，人工智能正逐渐走进人们的整个日常生活。随着移动互联网、安防、教育、医疗、金融等各个领域与各类人工智能制造信息技术的相互融合与应用发展，人工智能技术成为下一代全球通用信息技术这一信息已经逐渐在国际和社会间达成了一个普遍的共识。随着信息科技以及信息技术产业应用的持续发展不断进步，机器在各种单一性技能、重复性体力劳动的日常工作应用领域已经发展到了几乎可以完全替代人类的最大程度。然而，如何让机器拥有语言语义理解、知识语言表达、逻辑推理和最终战略决策这些只有人类才具备的、通过汇集和主动学习才获得的基本技能，成为未来各类人工智能技术开发的一个全新的巨大的重要挑战[1]。人机协同，作为一个能够最大限度地提升企业生产率和作业管理效率，提高产品品质、丰富一个人类经济社会科技创造能力的关键人工智能产业核心技术，以及作为能够推动实现全新人类社会的一个产业技术创新、提升一个国家核心竞争力的关键性技术因素，被各个不同行业的科技工作者们给予了高度的重视。因此，实现人机协同的愿景，提高人机协同系统的整体的工作效率，充分发挥人的主观能动性作用和机器的实用工具性作用，取得1+1>2的人机综合应用效果，是21世纪二十年代的我们共同努力的研究方向[2]。1.1人机混合生产在传送带上输送半成品物料是组装生产过程中最传统的生产方式。作业时，作业者站在传送带两侧进行输送成品进行组装，这种生产方式也就是被各大机械制造行业广泛采用的所谓的流水线生产。该生产方式早在最初的各种电子产品以及配件的加工制造流水线生产中，就明显且充分地显现出了其他生产方式所不具备的高产量、高效率、低成本等几大重要优点，因为这些所以被电子等产品生产企业争先采用。后来因为愈发激烈的市场价格竞争，在进一步努力控制并消减生产成本后，这种传送带生产方式所潜在的四个负面影响也渐渐浮出了水面：①在生产车间中占地面积较大②生产过程中产能不均衡③半成品的取放动作可以看成是多余的动作，大大拉低了生产效率④想要做到生产种类的变化相对困难。考虑到上述几个负面的影响，如果我国制造企业继续沿用传送带生产方式，则很难达到进一步提高作业效率、降低生产成本的目的。本世纪初，很多生产制造企业采用丰田公司的生产方式进行制造生产，对我们传统的传送带生产方式进行了一定的摒弃，这种新型的生产方式通过用操作者在上、下工位间的传递物料代替了在传送带上取放物料的动作，使大量的无用功得到一定的减少，相应的生产效率也得到了大幅度的提升，同时也达到了丰田公司的终极目标——通过降低成本获得经济收益，这就是大家口中所谓的丰田生产方式[3]。除了外部条件等一些硬性因素外，一些关于人性化的问题也同样影响着生产产能。例如由于人各种的心理或者生理因素，导致在有人工参与的生产制造系统中产生生产时间不确定和不稳定的现象，这些都会轻易地引发各种不可控情况的发生例如生产堵塞。同时，我国制造业较为恶劣的现场工作环境以及较为缺乏的现场人机工程分析技术人员，已逐渐成为现如今比较敏锐的热点话题。在生产车间中，因满足不了人机工程要求而引起的负面影响，不仅严重危及到了工人们的身体健康，而且还造成了工厂里不必要的经济损失，这些对中国——一个劳动力密集的制造业大国来说，造成的损耗无法估量。随着发达国家无人化与工业自动化的双向深度快速融合，使我国的制造业发展环境不断发生变化，更是促进了制造业升级转型与创新能力提升。为了更好更快地改变不成熟、不先进的制造业生产模式，长三角和珠三角地区不约而同地提出了“机器换人”的生产战略方针。随着科学技术、自动化技术的飞速进步及发展，人们也开始对全自动化与无人化的实现落实充满无限幻想，希望通过两化来达到使制造系统拥有更高效率与更好效益的目的。但出于对工厂实际条件的考虑，发现实现用机器代替人并不是一件简单的事[4]。随着实践的进一步深入展开以及一些无人化制造工厂失败案例的涌现，人们对无人自动化生产制造过程中遇到的一些问题进行了深刻反思，意识到了在自动化生产制造系统中人发挥着着机器不可替代的重要作用。结合先后的经验教训，国内外技术工作者就在制造系统中如何将人与机器有机结合这一严峻问题，从基础理论与专用技术这两个角度出发展开了积极的探索研究。近年来，科研技术工作者提出的“人机一体化制造系统”、“以人为中心的制造系统”等新思想，其核心思想是发挥人的重要作用。通过人—机一体的技术发展路线，把人作为系统结构中有机组成的一部分，使人与机器处于协作配合的平等地位，实现制造系统中人机一体化的人机集成战略决策，希望以此来使制造系统取得最佳效益[5]。2015年之后，国内企业的人工成本仍在持续快速地增加，为了达到进一步降低生产成本提高生产效率的目的，尽可能地减少生产操作人员成为唯一有效的解决方案。如果直接完全采用国外的全自动组装设备进行生产，因为投资高、投资回收时间长的缘故，实施起来难度系数较高。基于以上情况，我们通过在部分关键生产线部位安置机械手以及投入投资回收期较短设备等方案对丰田生产方式进行了一系列的改进，形成了人机混合生产的生产方式。通过这种生产方式，使生产成本得到了进一步地降低，同时也大幅度地减少了人工作业。随着组装生产方式的不断发展完善，对人与机器进行合理地组合成为一种目前非常适合进行规模组装的新型产品生产方式，人机混合生产有效地避免了传送带生产带来的低产能生产以及全自动化生产带来的的高风险投资。因此，人机混合生产即人机协同生产的采用在人件费和能耗费愈加昂贵的中国市场上具有很大的发展空间[6]。1.2汽车轮毂轴承生产随着我国汽车工业的迅速发展，汽车产业的规模也在不断的扩大。2020年11月，据中国汽车工业协会的数据显示，我国的汽车产量高达285万辆，环比增长12%，；汽车销量高达280万辆，环比增长8%。这只是一小部分的数据，此后直至今日，汽车的产销量都始终呈一个持续上升的趋势。即使中国在汽车行业中的发展速度非常可观，但与发达国家相比，还是存在一定的差距。图1-1所示的汽车轮毂轴承是汽车关键的零部件，它的需求量随着汽车需求量的增多而不断快速增长。图1-1汽车轮毂轴承汽车轮毂轴承是一种引导轮毂转动的重要部件，可用来承受汽车整体的重量，位于汽车的轮轴处。轮毂轴承的质量直接决定了汽车的性能和驾驶安全。先前的汽车轴承都是采用两套圆锥滚子轴承或球轴承，但由于成本高、不可控因素多的缘故，传统的轴承逐步面临淘汰，取而代之的则是无须调整组装间隙、组装工艺合理、且轻量化的轴承。第三代轮毂轴承单元已在国内进行了大范围的应用，而在国外，轮毂轴承的开发已经进入了第四代。与普通的轴承相比，汽车轮毂轴承的结构较为特殊，外形和生产工艺都较为复杂，因此要实现汽车轴承的全自动化生产对于现在的中国来说比较有难度。在汽车轮毂轴承的组装生产线上，我国的生产模式仍停留在半自动化阶段，虽然在很多流程中用机床代替了手工，但人工作业的现象依旧随处可见[7]。劳动力的短缺、无法保障的人员安全问题、产量无法跟上需求量等都是导致汽车轴承制造企业无法进一步发展的重要因素。因此，提高汽车轴承生产线的产能成为重中之重。既要考虑到企业在经济方面是否能够承受，还要考虑是否真正适合汽车轴承的生产。例如引进多自由度工业机器人、多工位组合式机床或者整套全自动生产线等方案由于价格昂贵的原因，实际投入生产的可能性不太大，而市面上一些专用于某一领域的搬运机械手无法同样适用于汽车轴承的生产。除了要考虑经济性和适用性外，还要考虑对生产线的布局是否有一定的影响。近年来，如下图1-2所示的大桁架式搬运机械手频繁出现在人们的视野中。这种机械手采用桁架的形式，主要由主体、驱动单元、传动机构和夹取机构四部分组成。虽然满足了经济性和适用性的要求，但因为体积较大，无法合理地对生产线的布局进行规划的缘故，所以说该方案还不是最好的选择。因此，基于对上述几种方案的经济性、适用性、生产布局方面的讨论，得出了具体的可行性方案，那就是采用合适的自动搬运机械手，对原先的汽车轴承组装生产线进一步优化与升级[8]。图1-2大桁架式搬运机械手1.3机械手机械手是一种通过模仿人的手、臂、腰等的功能动作，在控制系统的控制要求下完成检测、抓取、搬运等操作的机器人。机械手不仅可以自动控制、重复编程，还可在高温高压、易爆、有放射性的工作环境中替代工人完成作业，从而达到大大降低工人劳动强度、改善作业环境、保护工人自身安全的效果。灵活度与耐力度是机械手臂与人类手臂最大的区别所在，换句话说就是可以精确且重复地做同一个动作是机械手的最大优势。机械手的广泛应用更大限度地实现了各行各业生产的自动化、智能化以及高效化、降低生产成本，因此在机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业得到大量推广。遵循柔性化设计、结构安全可靠、简单高效易操作、经济性能好、占地面积小等原则设计出来的机械手才能达到满足功能需求的标准。机械手的自由度是反映机械手动作灵活性的一项运动技术指标，通常通过关节的的运动方式和数量来体现。例如六自由度机械手就是具有六个关节和六个运动伺服电机传动的机械手，每一个自由度都具有一个单独方向的作业运动能力。简而言之，能够旋转的自由度越多，能够运动的范围就越广，能够适用的领域也就越多，相应的对其的控制难度也就越高[9]。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其中执行机构中又包含了手部、手关节、手臂和手立柱四个方面。详图可见下图1-3。手部安装在手臂的前端，手臂通过将动作传动给手腕来使其转动或伸屈，最后达到张合手指的目的。手臂在夹取过程中起到一个引导手指精确夹取以及精准运送的作用。驱动机构主要分为液压、气压、电气、机械驱动四种，较为常见的是气动和电动驱动，可根据实际需求选择最为合适的驱动方案。控制系统的工作逻辑为：首先根据机械手需要执行的动作要求，编写相应程序，然后按照编制好的程序控制机械手开展工作。图1-3机械手工作原理示意简图2汽车轴承生产线在汽车的生产制造过程中，轮毂轴承作为其中必不可少的重要零部件，与普通轴承之间存在着比较大的差异。汽车轮毂轴承属于双列角接触球轴承，通常采用双半内圈的结构型式，基数较大、方便装配并能够保证轴向的游隙。汽车轴承是轴承在经过用途分类后得到的派别，是轴承产业的一个大的类别，有保持车辆转向时减振器能随车轮一起转动、防止汽车行驶时因路面不平而将振动通过减振器传到车身等作用。汽车轴承制造厂中的生产布局主要由旋削、研磨、组立三大区域组成。本次研究对象——汽车轴承生产线的组立区域中总共约有25道工序，机床约有20多台，又被称为组装生产线。图2-1原组装生产线对应工位2.1组装生产线的现场情况组装生产线上有三个工位，如图2-1中所示，工位一为内轮预压入和间隙测定机出口传送带的末端，工位二为轴端翻边机的加工位置，工位三为轴端清洗机的工作位置。相邻工位间的距离为0.5米，每个工人搬运轴承的时长为10s。这三个工位对应的人工作业搬运流程包括如下三个步骤：步骤一：等待内轮预压入和间隙测定机将加工完成的工件传送到出口传送带后，传送带将工件送至工位一，工人将工件从工位一搬运到工位二，放料完成后启动轴端翻边机开始加工；步骤二：等待翻边加工完成后，工人将工件从工位二搬运至工位三，放料完成后启动轴端清洗机，此时可以重复步骤一；步骤三：等到清洗完毕后，工人将工件移走，此时可以重复步骤二，如此循环往复，直至换班或休息。在该生产线中，对应生产的汽车轮毂轴承的重量达到每个3000g以上。如果每天分为白班和夜班两班工人进行生产的话，正常日产可达2000个以上，生产节拍为960/2000=0.48分钟。在未优化前的生产过程中，这三个工位对应的工作最少也得需要一个工人配合三台机床才能完成，三个工位间就需要两次搬运。再加上工作强度太大，所以采用轮班排班制，每天由两个工人来完成生产。表2-1未优化前组装生产线情况统计轴承重量/g日生产数/个工人数/人机床数量/台搬运次数/次/人搬运时间30002000720221s按照这样的安排，单单这一项工作的工作量就是每个工人至少每天搬运6吨轴承（3000*(2000/2)*2=600000g）,这样的工作量不仅对普通工人来说有些吃不消，而且从安全性角度考虑的话安全系数也不高。因此想要在同样的时间内达到高效率的生产，我们就不得不从优化汽车轴承生产系统以及布局这一角度切入实施了。2.2组装生产线的布局优化如果将自动搬运机械手应用到上述组装生产线的三个工位中，将可以达到替代掉14名工人的效果（（20/3）*2=14人），通过机械手进行联动，实现局部的全自动生产。机器替代人工后，安全性、产能、经济效益等方面都得到了相应的提升。图2-2是根据人工作业搬运流程设计出的机械手自动搬运循环流程。机械手在接收到三个工位的加工完成信号后从原点开始动作，首先是在前工位上进行取料动作，然后再上升到安全高度后进行横向搬运动作，到达下一工位上方后下降，当工件接触到机床时，夹取机构复位完成放料动作，此时发出信号启动各工位的机床，机械手再次回到原点，按照此闭环流程循环工作。图2-2自动搬运循环流程用机械手代替人工后，日生产数量由原来的2000变为3000个，生产节拍也随之发生了相应的变化，即生产节拍为960/3000=0.32分钟。在计算机械手实现搬运功能所需的总体时间时，由于机械手回归起始原点的过程对正在工位上加工的作业并不会造成影响，因此这部分时间不需要计算在内。经过对现场的观察计算，得出机械手单次搬运时间大约为10.3s，其中取料和放料动作分别各耗时3s，上升和下降动作分别耗时0.9s，横向移动耗时1.7s。表2-2组装生成线优化前后对比分析搬运设备搬运时间生产节拍优化前人21s0.48分钟优化后机械手10.3s0.32分钟仅仅用自动搬运机械手代替工人作业还是远远不够的，还需要对自动搬运机械手装置与机床进行合理的布局规划，使组装生产线更加符合生产现场原则才算是真正做到了优化。布局优化是指为提高设备、物料、人力等使用的效率，对工厂内设施进行布置的一系列的活动。布局优化方案应主要考虑这三个方面：物（包括原材料、零件、制品、模具等）的具体物流过程应较为单纯；人（包括作业者、搬运者）的具体动作/作业过程应较为顺畅；物品的具体放置方法/置放方式等应容易被人了解[10]。如果能做到布局优化，可以得到以下收益：1、缩短制造周期2、物料搬运最小化3、对空间进行有效利用4、量控制最优化5、生产弹性化6、员工操作安全舒适7、生产现场简洁、美观。布局优化的理想状态为：1、能连接的流程：建立单件流生产线2、缩短物流动线，使流程顺利进行3、缩小通道和生产线间间隔，扩大有效面积4、为今后扩大生产规模做准备，使设计和布置易于移设、增设[11]。原先的组装生产线现场布局存在以下一些问题：三台机床紧凑排布，间隔相距0.5米，在加工、搬运方面表现为不同程度的浪费，个别工人的操作动作不合理，不能及时搬运加工件，导致生产节拍与搬运节拍不匹配，严重影响生产效率；生产现场较为杂乱，机床前方的工人通道狭窄，通道上方悬挂有大量标识牌等物品。图2-3添加机械手后的布局优化示意图根据原来生产现场布局所存在的不足，重新规划设计了如上图2-3所示的添加机械手后的布局优化示意图。以工位二处的机床为布局中心，工位一、三以及其他生产线机床整齐的排列在其两侧，每台机床间的间隔变为1m，将自动搬运机械手设备摆放在三个工位的正前方。撕掉生产现场无用的标识或贴纸，保持其整洁性，扩宽工人通道至8m。经过这些布局上的改动，一定程度上降低了加工难度、提高了作业效率。3机械结构方案设计及分析在汽车轴承的生产线上，采用由一个自动搬运机械手代替一个工人在三个连续工位上工作的方式，降低了劳动成本的同时还提升了生产产能。后续通过对汽车轮毂轴承组装线生产现场布局的优化，生产效率得到了进一步的提升。本文将对在汽车轮毂轴承生产过程中起重要作用的自动搬运机械手的机械结构做了一个详细的剖析和分解。在机械手进行夹取汽车轴承的过程中，移动机构主要通过夹取机构将夹紧力传递到夹爪，夹爪将力传递到轴承，增强了机械手与轴承之间的摩檫力，以此来完成对汽车轴承的夹持操作。3.1总体机构本次研究设计的六自由度机械手的机械结构包含底座、屈臂、腕部和手部四大模块。各结构之间相互配合，共同来完成夹紧、旋转、仰俯、摆动、基座回转等动作。为了保证机械手整体的精确度和可靠性能，6处受控的自由度的驱动方式均选用气动驱动。底座作为连接和支承若干部件的基础零件，在整个机构中除了起承重作用外，对于保证各零部件相对位置方面也有一定的帮助。在夹持工件时，臂部在整个机构中主要发挥着支承手部和腕部以及改变机械手空间垂直高度和水平长度的作用，是机械手主要的执行元件。腕部作为连接手部和臂部两部分的衔接机构，主要作用是使手部达到目标位置和处于期望姿态。手部则是抓握和释放工件的执行机构[12]。机械手的整机结构原理如图3-1所示。1.夹爪2.腕部3.小臂4.中臂5.大臂6.机座回转机构图3-1机械手的整机结构原理示意图3.2总体机构动力学模态分析通过模态分析可以知道机械手在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，并且得到每一个模态特有的\t"/item/%E6%A8%A1%E6%80%81%E5%88%86%E6%9E%90/_blank"固有频率、\t"/item/%E6%A8%A1%E6%80%81%E5%88%86%E6%9E%90/_blank"阻尼比和模态振型。在Solidworks软件的模态分析模块中，首先选取材料为碳钢板，由于整体是一个不规则的形状，需对其进行网格划，将整体结构划分为很多个形状规则的小单元，然后对每个小单元进行应力分析，用每个小单元计算结构反映单元所在位置上零件的应力情况，可见图3-2。图3-2划分网格示意图其次对机械手总体进行施加边界条件。工作时，机械手通过地脚螺栓与地面连接，约束螺栓孔内表面和底座板XYZ三个方向的自由度，即认为底座板无法发生位移，可见图3-3。图3-3添加约束示意图从模态分析结果中可以得出机械手在不同阶下自激频率的变化情况，本次设计的机械手共有6阶自激频率。在一阶自激频率下，机械手主要进行手臂上部沿水平方向的摆动动作，自激频率为10.017Hz。在二阶自激频率下，机械手主要进行手臂上部沿竖直方向的摆动动作，自激频率为10.384Hz。在三阶自激频率下，机械手主要进行夹爪部分沿水平方向的摆动动作，自激频率为17.845Hz。在四阶自激频率下，机械手主要进行手臂上的扭动和夹爪沿水平方向的摆动动作，自激频率为23.499Hz。在五阶自激频率下，机械手主要进行夹爪沿其固定件的扭动动作，自激频率为30.596Hz。在六阶自激频率下，机械手主要进行大臂部分沿水平方向的摆动和小臂部分沿竖直方向的摆动以及夹爪的摆动动作，自激频率为45.252Hz。图3-4机械手动力学模态分析3.3总体机构有限元分析通过对机械手总体结构的静力学分析，得到总体机构的位移、应力等参数数据。在Solidworks软件的ansys静力学分析模块中，为总体机构模型选择完应用材料后，对其进行网格的划分以及设置约束条件，这些前期工作都准备妥当后，为整体设置载荷。由于工作时，爪前端受到载荷作用，取载荷为1.42N，故在两爪板的下端处各施加0.71的力，再加入整体重力作用，如下图3-5所示：图3-6整体受力示意图通过分析所获取的应力云图，得到整体的应力情况：在重力和重物的载荷作用下，机械手整体的应力状态呈现全局低应力，说明机械臂的应力值很低，在许用范围内，可见图3-7。图3-7整体的应力云图3.4夹取机构市面上常见的夹取方案有三爪卡盘、平行卡爪、支点卡爪三种。三爪卡盘只能在垂直方向上进行取放工件的动作，不太适合用于空间布局有限的生产线。平行夹爪从水平方向对工件进行夹取，因此夹爪始终位于工件的两侧。支点夹爪主要是通过水平摆动的方式夹取工件，跟平行夹爪相比，夹爪位于工件的单侧。基于上述三种方案的比对分析，在驱动方式采取气动驱动的条件下，设计出本次机械手的夹爪结构，详图可见图3-8。在机械爪的腕部末端安装二指夹爪，转动的动力在腕部末端输出，结合夹爪的特性完成指定的夹取动作[13]。1.夹板2.爪连杆3.爪基板4.固定板5.同轴图3-8夹爪结构示意图图图3-9夹爪夹取末端尺寸示意图本次自动搬运机械手的设计，首先有一些原始参数需要考虑进去：夹爪张合角△γ=60°，夹取轴承的重量为0.142kg，需要夹紧的轴承直径为160mm，不进行夹取动作时两爪间最大距离区间为150~300mm，夹持速度为20mm/s，要保证夹紧动作进行平稳以及起始和结束时无刚性冲击，最后再经过运动分析得到夹取机构各部分的尺寸数据。夹取机构通过移动机构来实现轴承的夹取和松开，通过螺母连接，所需夹取轴承的直径范围为160~260mm。考虑到轴承的多样性，把夹爪的夹取机构设计为了S形曲线结构，采用此结构可以实现对轴承的有效定位夹取：在轴承半径<80mm时，用夹爪的前半段进行夹取；在半径>80、<130mm时，用夹爪的后半段进行夹取。由于夹爪夹取机构在过渡转折的地方应力较大且过于集中，故将此处设计为了圆弧机构，这样的设计可以补偿轴承的不规则形变，当气缸在做上下运动时，对移动机构带动夹取机构的夹紧与松开起到一定的促进作用。夹爪底端采用半径为6mm圆弧结构，用来避免对轴承表面进行的不必要刮滑伤害，详细尺寸可见图3-9。3.5夹爪静力学分析通过对夹爪结构的静力学分析，得到夹爪的位移、应力等参数数据，其分析步骤如下：（1）用Solidworks建好被分析模型后，在ansys静力学分析模块，为实体零件创建材料模型，定义材料参数。此次选用碳钢板来做为夹爪的材料，其各项参数如下图3-10所示。图3-10夹爪的各项参数参考图划分网格，把夹爪模型划分成很多很小的单元，可见图3-11。图3-11划分网格示意图（3）施加边界条件，给夹爪设置约束，可见于图3-12：工作时，爪的支持部件为上方缸筒，约束其XYZ三个方向的自由度，即认为缸筒无法发生位移[14]。图3-12添加约束示意图（4）设置载荷：工作时，夹爪前端受到载荷的作用，在两爪板的下端处各施加0.71N的力，合计取载荷1.42N，夹爪整体还受到一个重力作用，如下图3-13所示.。图3-13夹爪受力示意图有限元求解并进行结果分析，分别通过位移云图、应力云图、应变云图来获取夹板的变形、应力及应变情况。图3-14夹爪的变形云图从上图3-14的变形云图中可以得出以下结论：在重力和重物的载荷作用下，夹爪的最大变形发生在夹板末端，最大变形量仅为0.007mm，此变形量不影响夹爪的正常夹取动作，满足设计要求。图3-15夹爪的应力云图从上图3-15的应力云图中可以得出以下结论：夹爪的应力分布主要位于梁部结构，这是因为梁上移动块所带来的重力作用是主要的应力来源，而夹板上的应力很小，说明0.142kg的轴承并不会对夹板造成很大的应力，最大应力值为0.92MPa，小于材料屈服强度200MPa，因此该夹爪结构在安全的设计范围内[15]。图3-16夹爪的应变云图从上图3-16的应变云图中可以得出以下结论：夹爪的应变分布与应力分布相类似，其中最大的应变出现在梁结构部分，最大应变值为2.543e-6。4结论本次对于人机混合生产系统的设计优化主要是以生产汽车轮毂轴承为背景，对其组装生产线的生产现场进行了布局优化，其中自动搬运机械手就是优化过程中产生的一个改善成果。本次设计的研究重心则在于自动搬运机械手夹取机构的设计与分析上，同时也简略地介绍了一下自动搬运机械手的总体机构，最后用Solidworks三维机械设计软件将能够很大程度提升生产产能的自动搬运机械手的夹爪部分设计了出来并对其在夹取轴承前后的两个状态进行了有限元分析以及对机械手整体进行了动力学模态分析和有限元分析。在进行对夹取机构的具体设计时，先是对市面上存在的几种方案进行了可行性分析，然后再结合汽车轴承的特点，设计出了适合夹取汽车轴承的夹爪。今天，国内的劳动力成本处于不断上升的阶段，为了能够达到在降低生产成本的同时产品的质量得以保证的效果，采用机器代替人工作业是生产装配线中发展的必然趋势。在现有的组装生产线基础上，合理配置机器、形成人机混合生产的半自动化生产是降低生产成本、提高生产效率的有效途径之一。通过生产汽车轮毂轴承的实际案例我们可以得出人与机器的混合生产在快节奏工作环境中分担了很多生产步骤，为工人们大幅度地减轻了负担的重要结论。具体体现以下4个方面：①提高了自动化的程度，机器对人的能力进行了一定的补充，将之前手动执行的操作变成了自动化②减轻了工人的压力，机器可以承担一些体力消耗大、危险且单调的操作程序③获得恒定的高质量，机器以高精度的水准完成了需要重复和集中注意力