吳光明，朱瑞祥，楊 健

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100)

0 引言

我國機械工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了令人矚目的成就，但是，對先進設(shè)備過分依賴進口，許多重要裝備有待加緊開發(fā)。就機械工業(yè)的重要組成部分齒輪熱模鍛造來看，國內(nèi)大部分機加工企業(yè)在鍛造時的上下料仍為手工操作，不但危險，而且生產(chǎn)率低[1]。

因此，本論文設(shè)計一用于齒輪熱模鍛的機械手。選擇最佳方案，并采用虛擬樣機技術(shù)進行仿真研究，以提高熱模鍛造工作效率、降低成本、提高安全性、降低勞動強度、提高工業(yè)生產(chǎn)水平、增強競爭能力。

1 齒輪熱模鍛造工藝

在生產(chǎn)中，齒輪件模鍛大都采用預(yù)鍛—終鍛的工藝方案。具體工藝流程為下料—火焰爐加熱—預(yù)成形（鐓粗，單面壓形，整形）—火焰爐加熱—終鍛。

本論文設(shè)計的機械手要實現(xiàn)對齒輪毛坯的抓取、搬運、翻轉(zhuǎn)、卸料功能。

1.1 取料

在齒輪毛坯存放位置完成抓取任務(wù)。

1.2 搬運

末端執(zhí)行器完成抓取后，手臂通過升降、回轉(zhuǎn)、伸縮等動作將毛坯由存放位置送至加工平臺。

1.3 翻轉(zhuǎn)

毛坯其中一面加工完成后，末端執(zhí)行器通過腕部旋轉(zhuǎn)180o完成翻轉(zhuǎn)。

1.4 卸料

熱模鍛加工完成后，機械手抓取工件并移送至存放位置，再通過升降、回轉(zhuǎn)、伸縮等動作恢復(fù)原始位置完成一個工作周期。

2 研究思路

本文首先利用Pro/E三維制圖軟件作為輔助設(shè)計工具進行機械手的機械零件設(shè)計，并裝配。然后，導(dǎo)入ADAMS2007軟件，進行機械系統(tǒng)虛擬樣機分析，分析關(guān)鍵零部件受力情況。

3 總體方案設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

根據(jù)作業(yè)任務(wù)和現(xiàn)場工作要求，機械手具體設(shè)計參數(shù)如下：

最大抓重：25千克

自由度數(shù)：4個

坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)型

大手臂回轉(zhuǎn)：90o

手臂升降：400mm

手臂伸縮：200mm

手腕回轉(zhuǎn)：180o

手指夾持范圍：≤175mm

驅(qū)動方式：電機及液壓

3.2 方案設(shè)計

機械手由底座、下臂回轉(zhuǎn)電機、傳動齒輪、下臂升降油缸、上臂伸縮油缸、腕部回轉(zhuǎn)電機、手指座及手指等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 齒輪熱模鍛機械手模型

3.3 機械手關(guān)鍵零部件設(shè)計

手臂是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部。末端執(zhí)行器是機械手重要工作部件，由手指座及手指組成。

3.3.1 回轉(zhuǎn)及升降臂驅(qū)動力計算

1）回轉(zhuǎn)時，由于起動過程中不是等加速運動，所以最大驅(qū)動力矩要比理論上的平均值大一些，計算時一般取1.3倍[2,3]，驅(qū)動力矩按下式計算：

式中Mm：摩擦力矩

Mg：起動時的慣性力矩

2）升降運動時，驅(qū)動力可按下式計算：

式中Fm：支承處的摩擦力；

Fg：起動時的慣性力

W：運動部件的總重力

±：上升時為正(下降時為負)

3.3.2 伸縮臂驅(qū)動力的計算

臂部伸縮運動時需要克服摩擦力和慣性力，其驅(qū)動力按下式計算：

式中Fm：活塞與缸臂及密封處的摩擦阻力

Fg：起動過程中的慣性力，其大小按下式計算：

式中G：臂部移動部件的總重力（n）

g：重力加速度（m/s2）

v：臂部運動速度(m/s)

t：起動時所需的時間(s)

3.3.3 手部的設(shè)計

根據(jù)本機械手的功用，我們將其手部設(shè)計為如圖2所示的型式。此手爪為平移型手爪，活塞桿末端與兩側(cè)爪均為螺紋連接，通過活塞桿的往復(fù)運動實現(xiàn)手爪的張合。

圖2 手爪三維模型

手指對工件的夾緊力可按下式計算：

式中K1：安全系數(shù)

K2：動載系數(shù)（主要考慮慣性力的影響）

K3：方位系數(shù)

G：工件重力（n）

4 機械手的動力學(xué)仿真

4.1 模型導(dǎo)入

在PRO/E中，將建立好的機械手保存副本為.X_T格式；然后在ADAMS中將副本import進來即可。導(dǎo)入的模型很好的繼承了原來PRO/E模型的各種屬性，包括質(zhì)量關(guān)系、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量信息，但是模型中原有的裝配關(guān)系已不存在，各零件只是按原來的位置關(guān)系獨立的存在于ADAMS中，因此必須重新定義[5]。

4.2 定義材質(zhì)、添加約束和驅(qū)動

在ADAMS軟件材質(zhì)庫中選擇機構(gòu)材料為steel，利用ADAMS軟件計算出的各構(gòu)件的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量。

然后添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動。定義底座與地面之間為固定副，下臂回轉(zhuǎn)電機軸與小齒輪之間為固定副，回轉(zhuǎn)臂與大齒輪之間為固定副，大小齒輪構(gòu)成齒輪副，回轉(zhuǎn)臂與升降臂之間為固定副，活塞桿與升降油缸之間為移動副，升降活塞桿與伸縮臂之間為固定副，伸縮活塞桿與伸縮油缸之間為移動副，伸縮活塞桿與腕部電機之間為固定副，手指座與腕部電機軸之間為回轉(zhuǎn)副，兩側(cè)手指與手指座之間均為移動副。然后進行約束檢驗，在ADAMS/View界面下單擊Tools-Model Verify，彈出檢驗信息窗，約束正確。在回轉(zhuǎn)副和活塞移動副上添加六個驅(qū)動。完成后的約束和驅(qū)動如圖3所示。

圖3 ADAMS約束和驅(qū)動效果圖

4.3 動力學(xué)分析

機械手在抓取工件前不受外載荷作用，搬運及翻轉(zhuǎn)工件過程中受到工件對手指內(nèi)側(cè)反作用力及摩擦力，夾緊力可按（5）式計算取最小值，摩擦力按式（6）計算：

μ取0.3

以機械手的作業(yè)循環(huán)時間為依據(jù)，用系統(tǒng)提供的階躍函數(shù)，即STEP函數(shù)來設(shè)定一個工作循環(huán)中各個驅(qū)動及受力函數(shù)。設(shè)置仿真時間為20s，step=500，仿真類型為動力學(xué)仿真，點擊開始，得到機械手作業(yè)過程模擬，如圖4所示。

圖4 齒輪熱模鍛機械手作業(yè)過程模擬

測量手指與活塞桿連接處受力情況，記為A，得到受力曲線如圖5所示。

表1為A處部分特殊位置所受載荷計算結(jié)果。由結(jié)果可知，手指與活塞桿連接處在夾緊工件瞬間即翻轉(zhuǎn)工件時，受力均出現(xiàn)峰值，可見仿真結(jié)果符合實際情況。

圖5 手指與活塞桿連接A處受力曲線

表1 分析結(jié)果（單位：N）

5 結(jié)束語

基于PRO/E建立的虛擬樣機模型，利用ADAMS軟件可以方便地進行動力學(xué)仿真分析。通過運動仿真，說明在各個關(guān)節(jié)沒有超程的前提下，機械零部件沒有干涉發(fā)生，機械手能實現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)，表明設(shè)計基本合理。得到關(guān)鍵零部件的受力情況，為后續(xù)機械手的優(yōu)化設(shè)計做好了準(zhǔn)備。

[1] 邢玉久.＂八五＂時期中國機械工業(yè)[J].中國機械工業(yè)年鑒.北京:機械工業(yè)出版社,1996.

[2] 宋偉剛.機器人機械系統(tǒng)原理,理論方法和算法[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2001.

[3] 瞻啟賢.自動機械設(shè)計[M].工業(yè)出版社出版,2000.

[4] 陳文華,賀青川,張旦聞.ADAMS2007機構(gòu)設(shè)計與分析范例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:1-190.

[5] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京化工業(yè)出版社出版,1991.

[6] 石博強,等.ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程[M].北京:中國鐵道出版社,2007.