王春燕，秦利明，李 軍

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

根據(jù)在浙江省第8屆大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的實(shí)際要求，需分別將直徑30 mm、直徑60 mm和直徑120 mm，長(zhǎng)度為100 mm的3種規(guī)格圓棒物體從固定位置取出，并放置到特定的位置。在競(jìng)賽作品實(shí)際制作過程中，發(fā)現(xiàn)難以用一種尺寸規(guī)格的機(jī)械手將3種不同尺寸的圓棒料物體夾持取出放入特定位置，在不斷總結(jié)試驗(yàn)的過程中，創(chuàng)新性的應(yīng)用了倒V型和X型組合而成的機(jī)械手，通過adams仿真分析及實(shí)物制作驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了多種尺寸圓柱物體的精確抓取。

1 常用夾持機(jī)械手介紹

機(jī)械手是模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。在競(jìng)賽機(jī)器人中，機(jī)械手的應(yīng)用廣泛，常用的有氣壓傳動(dòng)機(jī)械手及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手兩類。氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其主要特點(diǎn)是需要由壓縮機(jī)來提供動(dòng)力，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作范圍小、體積小以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示；而機(jī)械傳動(dòng)式機(jī)械手是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等組成，主要特點(diǎn)是需要電機(jī)來提供動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較大，如圖2 所示[1-2]。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手Fig.1 Pneumatic manipulator

2 圓柱物體夾持機(jī)械手工作原理及夾持能力分析

2.1 工作原理

圖2 機(jī)械傳動(dòng)式機(jī)械手Fig.2 Mechanical drive manipulator

針對(duì)競(jìng)賽中要求夾持的圓柱物體的尺寸相差較大 （直徑相差90 mm），常用的機(jī)械手一般難以同時(shí)滿足3種尺寸物體的夾持工作，且由于賽程的時(shí)間限制，這便要求所設(shè)計(jì)的機(jī)械手可同時(shí)滿足3種物體的夾取，且需快速穩(wěn)定，盡量節(jié)省操作時(shí)間。綜合以上方面的要求，文中采用了倒V型和X型組合而成的機(jī)械手，如圖3所示[3-4]。

圖3 adams建模下的機(jī)械手及目標(biāo)物體Fig.3 Robot and the target object modeling under adams

2.2 夾持能力分析

圖3 所示的機(jī)械手，通過調(diào)節(jié)短連桿和長(zhǎng)連桿尺寸，可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格目標(biāo)物體的夾持動(dòng)作。在夾持過程中，通過更換合適的彈簧和收縮電機(jī)，即可滿足不同質(zhì)量物體的夾取要求。

3 機(jī)械手仿真分析

首先在adams中建立機(jī)械手實(shí)體模型，之后設(shè)置該機(jī)械手各相關(guān)參數(shù)，并對(duì)模型添加約束及相互構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加彈簧且設(shè)置彈簧的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，彈簧所受到的預(yù)載荷及所受預(yù)載荷時(shí)彈簧長(zhǎng)度。同時(shí)，針對(duì)競(jìng)賽要求中3種尺寸的圓柱物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，以期望得到機(jī)械手正常運(yùn)行時(shí)的合理參數(shù)。

在彈簧各參數(shù)設(shè)置相同的情況下，分別針對(duì)3種尺寸圓棒料夾取時(shí)受力情況及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)檢驗(yàn)了方案的可行性[5-6]。

3.1 三種物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下受力分析

機(jī)械手在夾持物體時(shí)，主要是通過彈簧的回復(fù)力實(shí)現(xiàn)圓柱物體的夾持動(dòng)作，在設(shè)計(jì)該機(jī)械手過程中，將抓取最小物體所需的初張力大于圓柱物體所受到的重力，即可將目標(biāo)物體抓取成功。拉力彈簧的初張力等于適中拉開互相緊帖的彈簧并圈所需的力，初張力在彈簧卷制成形后發(fā)生。拉力彈簧初張力計(jì)算公式如下：

初張力=P-（K×F1）

其中：P——最大負(fù)荷；

K——彈簧常數(shù)；

X——拉伸長(zhǎng)度；

本設(shè)計(jì)中，是將彈簧的初張力應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，在下面的仿真分析中，挾持目標(biāo)物體所受到的力等于負(fù)初張力（所受力與初張力相關(guān)）。

圖4 直徑30 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.4 30 mm diameter cylindrical body of the forces holding process

圖5 直徑60 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.5 60 mm diameter cylindrical body of the forces holding process

圖6 直徑120 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.6 120 mm diameter of the cylindrical body the forces holding process

通過以上分析，3種物體在被夾持過程中所受到的彈簧力均與其直徑尺寸成正比。且直徑越大，所受到彈力就越大。

3.2 三種物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡分析

分析圖7～9可以知道，物體在夾持過程中，隨著彈簧力的增大，會(huì)有輕微的位移。而此位移大小對(duì)實(shí)際的影響可忽略不計(jì)[7-9]。

圖7 直徑30 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.7 30 mm diameter cylindrical body of the forces holding process

圖8 直徑60 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.8 60 mm diameter cylindrical body of the forces holding process

圖9 直徑120 mm圓柱物體夾持過程中受力情況Fig.9 120 mm diameter of the cylindrical body the forces holding

所以，在此分析的基礎(chǔ)上，文中制作了實(shí)物樣機(jī)，如圖10所示。

圖10 樣機(jī)夾持直徑120 mm圓柱物體Fig.10 120 mm diameter cylindrical object prototype clamp

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文的仿真分析數(shù)據(jù)，文中制作了實(shí)物樣機(jī)，并在競(jìng)賽過程中取得了優(yōu)異的成績(jī)。在仿真分析過程中可發(fā)現(xiàn)，使用此結(jié)構(gòu)機(jī)械手，通過選擇合理的連桿長(zhǎng)度及彈簧，其可夾持的物體尺寸有較大程度的變化，且此機(jī)械手仍可保持較高的夾持精度。

[1]王世明,陶柯.基于Adams的4R機(jī)械手生產(chǎn)參數(shù)仿真研究[J].裝備制造技術(shù),2014(1):131-132.WANG Shi-ming,TAO Ke.Based on the production parameters Adams 4R robot simulation[J].Equipment Manufacturing Technology,2014(1):131-132.

[2]王柯,周驥平.高速板材搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2014(1):12-15.WANGKe,ZHOU Ji-ping.Kinetic speed plate handling robot simulation[J].Mechanical Design,2014(1):12-15.

[3]文懷興,柳建華,魯劍嘯.基于Adams的夾持機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(3):75-77.WEN Huai-xing,LIU Jian-hua,LU Jian-xiao.Adams gripping robot based virtual design and structural optimization[J].Mechanical Design and Manufacturing,2010(3):75-77.

[4]楊文寧,朱佳俊,王偉良,等.機(jī)器人機(jī)械手協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高校實(shí)驗(yàn)室研究,2012(1):115-116.YANG Wen-ning,ZHU Jia-jun,WANG Wei-liang,et al.Coordinated robot manipulator control system design[J].Laboratory Research Universities,2012(1):115-116.

[5]陳立平,張?jiān)魄?任衛(wèi)群.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[6]MSC.Software.MSC.ADAMS/View高級(jí)培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7]王莉莉.基于PLC控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013(4):50-52.WANG Li-li.Pneumatic handling robot system design based on PLC control[J].Electronic Science and Technology,2013(4):50-52.

[8]梁新平.基于PLC的自動(dòng)線機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(7):86-87.LIANGXin-ping.Design automatic line robot position control system based on PLC[J].Electronic Design Engineering,2014(7):86-87.

[9]李祥陽(yáng),陳萬(wàn)強(qiáng),曹海泉,等.穿銷機(jī)械手的PLC控制的硬件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(1):54-55,59.LI Xiang-yang,CHEN Wan-qiang,CAO Hai-quan,et al.Wearing a pin PLC control robot hardware design[J].Electronic Design Engineering,2014(1):54-55,59.