劉飛飛，孟得姣，高堂盼

(江西理工大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

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數(shù)控加工自動(dòng)上下料機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與仿真

劉飛飛a，孟得姣b，高堂盼b

(江西理工大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

針對(duì)當(dāng)前數(shù)控車(chē)床加工陶瓷過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、下料的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能滿(mǎn)足陶瓷加工上下料要求的機(jī)械式手爪部件。首先，對(duì)陶瓷的加工工藝進(jìn)行了分析，并結(jié)合其工藝要求對(duì)機(jī)械式手爪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；然后，利用ANSYS Workbench以及ADAMS對(duì)該機(jī)械式手爪進(jìn)行了靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。研究了機(jī)械式手爪的抓力對(duì)陶瓷毛坯加工過(guò)程的影響，仿真結(jié)果表明：機(jī)械式手爪能很好地完成陶瓷毛坯自動(dòng)抓取動(dòng)作，驗(yàn)證了機(jī)械式手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較大的指導(dǎo)意義。

陶瓷加工；機(jī)械式手爪；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的提高，自動(dòng)化機(jī)器人被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并且深入到人類(lèi)生活的各個(gè)方面[1-3]。它的使用不但提高了生產(chǎn)效率，也把工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來(lái)。某工廠(chǎng)廠(chǎng)房車(chē)間數(shù)控機(jī)床加工絕緣子陶瓷時(shí)主要是依靠人工進(jìn)行上下料，數(shù)控機(jī)床附近的工作環(huán)境非常惡劣，如圖1所示。廠(chǎng)房?jī)?nèi)易產(chǎn)生大量粉塵并伴有嚴(yán)重的噪音，工人長(zhǎng)期在這種環(huán)境下工作，會(huì)對(duì)其身體健康產(chǎn)生不利影響，而且使用人工裝卸毛坯，效率非常低，因此，該工廠(chǎng)目前迫切需要解決這個(gè)問(wèn)題。

為了解決該生產(chǎn)絕緣子陶瓷工廠(chǎng)所面臨的問(wèn)題，亦為了實(shí)現(xiàn)該工廠(chǎng)自動(dòng)化無(wú)損壞抓取陶瓷毛坯，必須要設(shè)計(jì)一套符合于陶瓷毛坯抓取加工領(lǐng)域的機(jī)械手和配套夾具?，F(xiàn)采用ABB機(jī)械手代替人手進(jìn)行機(jī)械操作[4]，為實(shí)現(xiàn)陶瓷毛坯工件自動(dòng)化上下料操作為其設(shè)計(jì)了專(zhuān)用機(jī)械手爪裝置。在抓取陶瓷毛坯材料的過(guò)程中，機(jī)械手用來(lái)代替人手進(jìn)行材料的抓取與輸送，這樣機(jī)械手末端的設(shè)計(jì)更顯得尤為重要。不但要求機(jī)械手爪能夠精確牢靠抓取，而且要求被抓取物體的完整性也要重點(diǎn)考慮[5]。陶瓷毛坯材料為易碎材料，這樣更要求手爪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。手爪在抓取過(guò)程不但要精確抓取同時(shí)要對(duì)陶瓷毛坯材料進(jìn)行保護(hù)。

圖1 某陶瓷加工廠(chǎng)工人工作場(chǎng)景

1 機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 陶瓷上下料加工工藝過(guò)程

如圖2所示為采用機(jī)械手爪抓取陶瓷毛坯加工工藝過(guò)程，主要由三個(gè)過(guò)程組成分別為抓坯過(guò)程、卸坯過(guò)程、復(fù)位過(guò)程。

抓坯過(guò)程：要求機(jī)械手爪能夠靈活無(wú)損壞抓取陶瓷毛坯。首先利用傳感器檢測(cè)毛坯是否準(zhǔn)確到達(dá)抓取位置，若到達(dá)手爪下落抓取陶瓷毛坯工件，然后手爪上升將陶瓷毛坯移至數(shù)控機(jī)床裝夾工作臺(tái)，將陶瓷毛坯裝夾到數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械加工。

卸坯過(guò)程：數(shù)控機(jī)床加工完后，手爪抓取陶瓷毛坯工件運(yùn)行到卸料區(qū)。要求機(jī)械手爪能夠平穩(wěn)的將加工好的毛坯卸下。

復(fù)位過(guò)程：機(jī)械手爪完成卸料后，上升至安全位置，機(jī)械手抓漸漸恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。復(fù)位完成并準(zhǔn)備隨時(shí)進(jìn)行下一工位的操作。

圖2 機(jī)械手爪工作過(guò)程

1.2 基于Solidworks機(jī)械手爪模型的建立

末端執(zhí)行器是直接接觸陶瓷毛坯的工作部件，其基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取決于具體的工作對(duì)象和工作方式。因此，末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，要考慮多方面的影響因素。基于現(xiàn)場(chǎng)考察、陶瓷毛坯加工工藝流程、陶瓷毛坯加工精度等綜合各方面的要求，利用Solidworks設(shè)計(jì)了一套符合該公司生產(chǎn)的機(jī)械手爪用來(lái)投入工廠(chǎng)生產(chǎn)輸送線(xiàn)，如圖3機(jī)械手爪模型所示，該手爪模型是用來(lái)直接抓握陶瓷毛坯的關(guān)鍵部件，由于被握持陶瓷毛坯是易碎工件，根據(jù)這種實(shí)際情況要求，設(shè)計(jì)采用夾鉗式的手爪結(jié)構(gòu)，夾鉗式的手爪結(jié)構(gòu)由爪子、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。目前大多數(shù)機(jī)械手爪采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣，氣壓驅(qū)動(dòng)的工作介質(zhì)是高壓空氣，氣動(dòng)控制閥簡(jiǎn)單、便宜，而且工作壓力也低的很多。氣動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是操作簡(jiǎn)單、易于編程，所以可以完成大量點(diǎn)位搬運(yùn)操作的任務(wù)，氣壓驅(qū)動(dòng)在所有機(jī)器人中是重量最輕的，其成本也最低，另外氣壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)模塊化組件形成任意復(fù)雜的系統(tǒng)，因此該機(jī)械手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械手爪傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖，如圖4所示。該機(jī)構(gòu)采用了雙滑塊的傳動(dòng)形式，在活塞推桿1的動(dòng)力作用下推動(dòng)三角板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，雙滑塊采取對(duì)稱(chēng)布置各自的轉(zhuǎn)動(dòng)副分別于三角板2相連接，滑塊又分別通過(guò)移動(dòng)副與爪子相連接，爪子通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與基座相連接。當(dāng)三角板往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)雙滑塊在爪子的導(dǎo)向內(nèi)移動(dòng)，爪子在滑塊的動(dòng)力作用下繞著基座轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)爪子的開(kāi)合，爪子的開(kāi)合就能使得對(duì)陶瓷毛坯的抓取與放下動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。

圖3 機(jī)械手爪模型圖

圖4 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖5為手爪抓取重物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，當(dāng)氣缸1上氣閥打開(kāi)通氣時(shí)在氣壓的作用下是活塞推桿2動(dòng)作。在活塞推桿2的作用下四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，首先三角板3使得滑塊7在滑竿4的方向下動(dòng)作，然后下壓爪子5使其牢牢抓取陶瓷毛坯，整個(gè)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪抓取工件的過(guò)程。反之，當(dāng)下氣閥打開(kāi)通氣時(shí)是手爪放下工件的過(guò)程。

1.氣缸 2.活塞推桿 3.三角板 4.滑竿 5.爪子 6.陶瓷毛坯 7. 滑塊 8.槽子 9.氣閥圖5 手爪抓取重物簡(jiǎn)圖

2 機(jī)械手爪力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 機(jī)械手爪力學(xué)分析

機(jī)械手爪在進(jìn)行操作時(shí)，其手指的夾持力N與氣缸的氣壓壓力P的比值稱(chēng)為機(jī)械手爪的傳動(dòng)比。機(jī)械手爪在抓取陶瓷毛坯時(shí)，由于陶瓷毛坯的體積和質(zhì)量的不同，每次手指張開(kāi)的范圍也會(huì)不同，最終使得抓取時(shí)所需要的夾持力也是不同的[6]。由于抓取的陶瓷毛坯是易碎、易變形材料，必須選擇合適的夾緊力，才能保證抓取物體時(shí)夾緊力不會(huì)對(duì)物體造成損傷，保持陶瓷毛坯的完整性。機(jī)械手爪受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 機(jī)械手爪在豎直方向靜止?fàn)顟B(tài)下受力分析圖

從圖6中可知，氣缸對(duì)活賽推桿所產(chǎn)生的推力載荷為P，手爪夾緊力為N，陶瓷毛坯自身的重力為G，手爪對(duì)陶瓷毛坯支持力為F。連桿AB與水平方向的夾角為α，三夾板的夾角為β。

對(duì)O點(diǎn)進(jìn)行受力分析，∑Fy=0，得：

(1)

對(duì)陶瓷毛坯進(jìn)行受力分析，∑Fy=0，得：

F=2Nsinα+G

(2)

對(duì)鉸支點(diǎn)A取矩，由力矩平衡條件得：

FCD·l=N·lAP

(3)

從而得到夾緊力N的大小與手爪對(duì)陶瓷毛坯支持力為F的大小：

(4)

其中：l為力FCD到鉸支點(diǎn)A的距離；lap為夾緊力N到鉸支點(diǎn)A的距離。由此公式可知，夾緊力的大小與氣缸氣壓、三夾板的夾角β成正比，由此可以把夾持力的大小范圍可以確定。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖7所示，其中圖7a是手爪初始狀態(tài)，圖7b是夾緊位置。為分析從氣缸運(yùn)動(dòng)傳遞到爪子的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系，采用的氣缸速度νA為恒定速度。假設(shè)定系是Oxy，O′x′y′是動(dòng)系[7]?？芍?jiǎng)酉蹬c定系之間的之間的坐標(biāo)關(guān)系為：

(5)

圖7 桿件的連系關(guān)系簡(jiǎn)圖

將動(dòng)參考系固定在爪子上，滑塊D為動(dòng)點(diǎn)。顯然動(dòng)點(diǎn)D相對(duì)于爪子的運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。因此滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡為沿爪子方向的一段直線(xiàn)。相對(duì)速度νr和相對(duì)加速度ar，都沿爪子方向。至于牽連速度νe和牽連加速度ar，則是爪子與滑塊D重合的那一點(diǎn)的速度合加速度。爪子繞支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，知道絕對(duì)速度νa為勻速的情況可知推桿下降的高度為h=νat?？傻玫较鄬?duì)速度與絕對(duì)速度分別為：

(6)

那么爪子的角速度：

(7)

lcd—支點(diǎn)到滑塊的距離；lcp—爪子自由狀態(tài)時(shí)支點(diǎn)到滑塊的距離；lpd—爪子運(yùn)動(dòng)時(shí)所運(yùn)行的距離。

lcd，lcp，lpd的單位為mm，ω的單位為rad/s。

又因?yàn)椋害?ωt，lcp自由狀態(tài)趨于0時(shí)，可得：

ωt≈tanωt

(8)

這是一個(gè)超越方程，ωt不能直接表達(dá)，但有無(wú)數(shù)多個(gè)正根。這樣可知角速度ω隨時(shí)間t不斷變化的過(guò)程。

那么爪子指尖的運(yùn)動(dòng)速度ν與滑塊繞點(diǎn)B的角速度ωB分別為：

(9)

綜上可知：爪子角速度ω隨時(shí)間t不斷變化的過(guò)程,從式(9)中可知?dú)飧姿俣扰c爪子速度之間的傳遞關(guān)系。

3 機(jī)械手爪仿真分析

3.1 基于ANSYS Workbench機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)分析

首先，通過(guò)Solidworks與ANSYS Workbench接口將機(jī)械手爪三維模型導(dǎo)入到AWE環(huán)境中，在“Engineering Data”設(shè)置好相關(guān)的材料屬性，機(jī)械手爪各部分材料屬性如表1所示[9]。其次，利用“mesh”功能對(duì)機(jī)械手爪進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇自由網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格的疏密會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果精度，網(wǎng)格太疏會(huì)影響計(jì)算精度，網(wǎng)格太密又會(huì)使得計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了效率。經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)，確定了機(jī)械手爪有限元網(wǎng)格劃分模型，機(jī)械手爪劃分了153081個(gè)單元，306494個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型分別如圖8所示。

表1 手爪各結(jié)構(gòu)的材料屬性

然后，在靜態(tài)應(yīng)力前根據(jù)手抓的使用條件，對(duì)手抓的靜平臺(tái)設(shè)置固定約束。通過(guò)靜力學(xué)分析的公式(4)，可知在氣缸荷載的作用下爪子所受力在80～100N之間，現(xiàn)在對(duì)爪子施加負(fù)載100N，經(jīng)過(guò)有限元分析得到機(jī)械手爪的變形云圖和等效變形云圖如圖9、圖10所示。

圖8 機(jī)械手爪有限元模型

圖9 機(jī)械手爪變形云圖

圖10 機(jī)械手爪等效應(yīng)變?cè)茍D

從以上的分析結(jié)果可以看出，采用橡膠材料的爪子能夠承受載荷。對(duì)陶瓷毛坯引起的變形非常小，整個(gè)機(jī)械手爪能夠承受該機(jī)械載荷并能完成操作。

3.2 基于adams的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

氣缸的平均速度是氣缸的運(yùn)動(dòng)行程L除以氣缸的動(dòng)作時(shí)間t。通常所說(shuō)的氣缸使用速度都是指平均速度。標(biāo)準(zhǔn)氣缸的使用范圍大多是50～500mm/s，故本方案采用氣缸的速度為50mm/s。機(jī)械手爪準(zhǔn)確抓取陶瓷毛坯的氣缸運(yùn)行的距離為60mm，運(yùn)行時(shí)間為1.4s。

在Adams中進(jìn)行機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，需要將裝配體導(dǎo)入Adams中。分析該裝配體，雖然復(fù)雜，但構(gòu)件的數(shù)目并不多，實(shí)際上只包含四個(gè)構(gòu)件：①爪子，②滑塊機(jī)構(gòu)，③推桿，④機(jī)架。把裝配體中四個(gè)構(gòu)件分別存為Parasolid格式的文件[8]，然后依次導(dǎo)入Adams中施加約束，對(duì)該機(jī)構(gòu)添加了九個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，五個(gè)滑動(dòng)副，一個(gè)驅(qū)動(dòng)約束。將“MOTION_1”的速度函數(shù)定義為“IF(time -1.5:-50,50,50)”，對(duì)機(jī)械手爪的抓取于放下陶瓷毛坯的過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 爪子位移、速度和加速度曲線(xiàn)

圖12 爪子角速度與角加速度曲線(xiàn)

圖11表示函數(shù)曲線(xiàn)是在驅(qū)動(dòng)作用下，機(jī)械手爪在全局坐標(biāo)系X，Y，Z方向上的位移、速度、加速度曲線(xiàn)等運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)平滑連續(xù)，無(wú)尖點(diǎn)、跳躍與間斷，且位移曲線(xiàn)緩慢往下運(yùn)動(dòng)變化；速度曲線(xiàn)斜率變化的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于加速度的變化；加速度曲線(xiàn)波峰(谷)值不高，加速度最大值相對(duì)較小。圖12表示爪子角速度曲線(xiàn)斜率的變化的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于角加速度的變化；角速度隨時(shí)間變化的過(guò)程，變化較平緩無(wú)突變。根據(jù)仿真結(jié)果，系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終能夠平穩(wěn)變化，且無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械手爪能夠準(zhǔn)確抓取陶瓷毛坯，完全符合設(shè)計(jì)要求，即機(jī)械手爪在行進(jìn)過(guò)程中，爪子能夠準(zhǔn)確抓取陶瓷毛坯，并且通過(guò)平面四桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)械手爪重心始終處于平衡狀態(tài)，能夠保證抓取過(guò)程連續(xù)平穩(wěn)行進(jìn)。

4 結(jié)論

針對(duì)工廠(chǎng)陶瓷加工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾的難題，設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)用型手爪，并對(duì)其部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)分析，從分析結(jié)果可知爪子采用橡膠材料能夠減小對(duì)陶瓷毛坯的沖擊，陶瓷毛坯在載荷的作用下變形較小，采用此結(jié)構(gòu)可以完成對(duì)陶瓷毛坯的抓取。又對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)建立了虛擬樣機(jī)并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果中可以看出，機(jī)械手爪能夠平穩(wěn)抓取陶瓷毛坯。對(duì)推動(dòng)機(jī)床上下料機(jī)器人的發(fā)展具有一定的意義。

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(編輯 李秀敏)

Design and Simulation of Gripper for Automatic Loading and Unloading on CNC Machining

LIU Fei-feia,MENG De-jiaob,GAO Tang-panb

(a. School of Electrical Engineering and Automation；b.School of Mechanical and Electrical Engineering ,Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou Jiangxi 341000,China)

Aiming at the problem of automatic loading and unloading on NC machine tool processing ceramics.A kind of mechanical gripper part which can meet the requirements of ceramic processing and loading and unloading is designed.First of all, processing of ceramics is analyzed, and the requirements of the mechanical gripper was designed according to the process; then, the mechanical gripper of statics and kinematics simulation using ANSYS Workbench and ADAMS, effects of grip on the mechanical gripper for the ceramic blank processing process. The simulation results show that the mechanical gripper can finish the ceramic blank automatic processing movement, verify the rationality and accuracy of the design of mechanical gripper structure, has great guiding significance for the actual production.

ceramic processing；mechanical gripper；kinematics simulation

1001-2265(2017)06-0150-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.038

2017-01-08；

2017-02-08

劉飛飛(1962—)，男，江西贛州人，江西理工大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)楦咝Ч?jié)能礦冶機(jī)電裝備及其智能化、礦冶生產(chǎn)過(guò)程模擬與控制，(E-mail)gzlff@126.com；通訊作者：孟得姣(1989—)，男，山東菏澤人，江西理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，(E-mail)2862100628@qq.com。

TH122；TG65

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