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單向彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)彈性鋼板疲勞壽命影響因素

2021-05-07 08:31:38耿德旭許文智劉洪波趙云偉
北華大學學報(自然科學版) 2021年2期
關(guān)鍵詞:單向氣動柔性

梁 正,耿德旭,許文智,劉洪波,趙云偉

(北華大學機械工程學院,吉林 吉林 132021)

目前,機器人已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂、工業(yè)等領(lǐng)域,已經(jīng)成為人們?nèi)粘I詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1-3].因具有很高的柔性、安全性以及環(huán)境自適應(yīng)性,氣動柔性關(guān)節(jié)能夠減小機器人工作過程中產(chǎn)生的沖擊[4],有著廣闊的應(yīng)用前景[5].氣動柔性關(guān)節(jié)是氣動柔性機械手和仿生機器人的關(guān)鍵部件,在很大程度上決定了機器人的運動性能[6].其中,單向彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)具有無軸、多鉸鏈、非線性、大變形彎曲的特性,并且有很好的橫向穩(wěn)定性和側(cè)向剛度[7],常單獨作為關(guān)節(jié)使用.北華大學、浙江工業(yè)大學和英國Shadow公司等科研團隊分別基于單向彎曲關(guān)節(jié)研制了多種欠自由度的柔性機械手,能夠完成抓、握、捏等基本動作,對物形變化具有適應(yīng)性[8-9],但關(guān)節(jié)壽命較短,限制了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.為解決原有單向彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)中彈性鋼板疲勞壽命不足10萬次,易發(fā)生塑性變形、斷裂的問題,本次研究針對不同種類和熱處理方式的彈性鋼板試件進行有限元仿真分析和疲勞試驗,分析影響其疲勞壽命的因素,確定提高彈性鋼板使用壽命的改進措施.研究結(jié)果可為提升氣動柔性關(guān)節(jié)彎曲疲勞壽命和柔性機械手的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 單向彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與變形原理

1.1 單向彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖1 單向彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

單向彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)見圖1 a.形狀相同的一組緊密套裝的剛性約束環(huán)嵌套于彈性乳膠管氣囊外部,約束環(huán)一側(cè)矩形孔裝有薄鋼板,與上、下端蓋固定為一體,乳膠管氣囊通過上、下堵頭將其密封,保證了氣密性.下堵頭和下端蓋均有通氣孔.彈性鋼板由薄鋼板制成,利用薄板的彎曲變形起到彈簧作用.關(guān)節(jié)進行了加固處理(圖1 b),在A、B兩點用螺釘將彈性鋼板與上、下端蓋固定.

1.2 關(guān)節(jié)彎曲變形原理

施加氣壓時,關(guān)節(jié)內(nèi)部乳膠管氣囊內(nèi)腔受壓膨脹,外壁受到約束環(huán)限制,外徑不變.氣囊軸向伸長并對關(guān)節(jié)端蓋施加軸向壓力,在彈性鋼板的約束下轉(zhuǎn)化為使關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲變形的純彎矩,端蓋發(fā)生偏轉(zhuǎn),使得關(guān)節(jié)向彈性鋼板一側(cè)呈圓弧狀彎曲.在變形過程中,彈性鋼板軸向剛度較大,可認為長度保持不變.變形原理見圖2 a,關(guān)節(jié)實物彎曲形變見圖2 b.

圖2 單向彎曲關(guān)節(jié)形變

圖3 彈性鋼板

2 彈性鋼板設(shè)計及仿真分析

2.1 彈性鋼板設(shè)計

在長期大變形彎曲工作狀態(tài)下,合金板材會出現(xiàn)塑性變形和斷裂的情況[10].彈性鋼板截面為矩形(圖3),是單向彎曲關(guān)節(jié)的彈性件,也是支撐件.選擇符合厚度要求的鋼板,既可保證單向彎曲關(guān)節(jié)的彎曲角度,又能提高使用壽命.

由胡克定律可知:在應(yīng)力未達到材料的許用應(yīng)力極限時,應(yīng)力與應(yīng)變成正比,即

σ=E1·ε,

式中:σ為材料的許用應(yīng)力;E1為彈性鋼板的彈性模量;ε為應(yīng)變.

彈性鋼板在極限工作狀態(tài)下受到的最大應(yīng)力應(yīng)該小于該材料的許用應(yīng)力:σ≤[σ],即

E1·ε≤[σ]

,

(1)

(2)

式中:h為彈性鋼板厚度;Δl為伸長量;l為彈性鋼板長度;θ為彈性鋼板彎曲角度.

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將式(2)代入式(1),得到彈性鋼板厚度的取值范圍

(3)

根據(jù)使用需要,單向彎曲關(guān)節(jié)中彈性鋼板最大彎曲角度為3π/2,材料選用不銹鋼或SK5碳素工具鋼.在變載荷作用下,厚度為0.2 mm的不銹鋼彈性鋼板許用應(yīng)力[σ]為860 MPa;厚度為0.2 mm的SK5碳素工具鋼板許用應(yīng)力[σ]為950 MPa[11].將上述參數(shù)代入式(3),可得到不銹鋼板的厚度h1≤0.202 3 mm,SK5碳素工具鋼板的厚度h2≤0.223 4 mm,因此,選取厚度為0.2 mm的彈性鋼板進行有限元仿真分析和疲勞壽命試驗.

2.2 彈性鋼板彎曲變形有限元仿真分析

當單向彎曲關(guān)節(jié)氣囊通入壓縮氣體時,在端蓋處產(chǎn)生的彎矩作用下,彈性鋼板變形屬于非線性大變形,有限元分析軟件對大變形彈性體有較好的仿真效果.分別對不銹鋼304 (硬度HV450)、不銹鋼301 (硬度HV430)、不銹鋼304 (硬度HV540)、SK5 (硬度HV450~480)和不銹鋼316 (硬度HV330~350)彈性鋼板進行仿真,分析其應(yīng)力分布.仿真條件見表1.

表1 彈性鋼板仿真條件

5組彈性鋼板試件仿真結(jié)果見圖4.由圖4可知:彈性鋼板試件一端被固定,關(guān)節(jié)氣囊通入壓縮氣體后,在純彎矩作用下,單向彎曲關(guān)節(jié)整體呈圓弧狀彎曲,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在彈性鋼板與下端蓋固定的根部位置.

圖4 5組試件仿真應(yīng)力

圖5 5組試件根部應(yīng)力分量

因各組彈性鋼板力學性能存在差異,在同彎矩作用下,最大彎曲角度并不相同.在相同彎矩條件下,對彈性鋼板根部達到最大彎曲角度過程中所受的應(yīng)力進行仿真,結(jié)果見圖5.由仿真結(jié)果可知:各種材料的彈性鋼板根部所受應(yīng)力隨著彎曲角度的增加呈非線性增大,增長趨勢基本一致;應(yīng)力增大速率逐漸降低,達到最大值時曲線接近水平,最大值接近各材料許用應(yīng)力.為確保彎曲關(guān)節(jié)使用安全,需對彎曲關(guān)節(jié)進行疲勞試驗.

3 彈性鋼板疲勞試驗

3.1 疲勞試驗方案設(shè)計

試驗分為5組,每組包含5個試件(厚度為0.2 mm).試件均為同批次生產(chǎn)的國標鋼材,各元素成分比例一致.試驗在正常使用工況(室溫20 ℃)下進行.為防止意外斷電給試驗造成影響,使用SANTAK公司的CASTLE 3K(6G)不間斷電源為電子設(shè)備供電.對5組試件關(guān)節(jié)進行疲勞測試,記錄每個試件的疲勞壽命,得到不同種類彈性鋼板的單向關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)和彈性鋼板彎曲狀態(tài),分析試驗結(jié)束時的失效狀態(tài).

3.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要有單向彎曲柔性關(guān)節(jié)、氣源、精密減壓閥、氣壓傳感器、XY工作臺、PLC控制平臺、計算機和相機等.關(guān)節(jié)參數(shù)見表2.

表2 單向彎曲關(guān)節(jié)參數(shù)

3.3 試驗過程及結(jié)果

根據(jù)試驗原理搭建彈性鋼板疲勞試驗系統(tǒng),見圖6 b.試驗系統(tǒng)主要由氣源、PLC控制平臺、計算機、相機和關(guān)節(jié)本體等組成.氣源通過精密減壓閥向關(guān)節(jié)通入壓縮氣體,并通過氣壓傳感器檢測氣壓值,以保證輸入氣壓值的準確性.PLC控制器控制電磁換向閥以設(shè)定的頻率進行通斷,進而控制關(guān)節(jié)以該頻率彎曲.

圖6 彈性鋼板疲勞測試試驗

3.3.1 試驗頻率

將關(guān)節(jié)固定在XY實驗臺(圖7 a),自由狀態(tài)下用鉛筆標示關(guān)節(jié)在坐標紙上的位置,然后向關(guān)節(jié)通入0.25 MPa的氣體,在坐標紙上標記關(guān)節(jié)達到的穩(wěn)態(tài)位置.選取關(guān)節(jié)工作頻率分別為1、2、3 Hz,用高速攝像機拍攝各頻率下關(guān)節(jié)末端達到的位置.對比發(fā)現(xiàn),當頻率為1 Hz時,關(guān)節(jié)末端可與標示線重合,因此,選用該頻率作為疲勞試驗的測試頻率.

3.3.2 試驗方法

通過氣壓控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)通入關(guān)節(jié)氣體的壓力為0.25 MPa,此時彎曲角度達180°以上;泄壓時,關(guān)節(jié)恢復(fù)到初始狀態(tài)(圖7 b).

圖7 單向彎曲關(guān)節(jié)疲勞測試形態(tài)

試驗過程中,如出現(xiàn)氣囊破裂、彈性鋼板斷裂的情況,立即停止試驗,記錄失效原因和彈性鋼板狀態(tài).試驗結(jié)束后,取出彈性鋼板并記錄各組疲勞次數(shù),觀察斷裂位置.為減少偶然誤差,取各組5個試件疲勞壽命次數(shù)的平均值作為該組彈性鋼板的疲勞壽命次數(shù).測量已塑性變形失效彈性鋼板的最大撓度.試驗疲勞壽命結(jié)果與失效方式見表3,疲勞測試后5種板材失效狀態(tài)見圖8.

表3 5組試件疲勞壽命

圖8 各組板材疲勞測試失效狀態(tài)

圖9 改進處理后的彈性鋼板

由圖8可知:低硬度不銹鋼304、不銹鋼301和不銹鋼316發(fā)生塑性變形并有明顯折痕;SK5彈性鋼板整體基本平整,斷裂發(fā)生在中部軋制紋路處,該處可能為斷裂源;中硬度不銹鋼304彈性鋼板整體基本平整,其根部位置發(fā)生斷裂,與有限元仿真結(jié)果有較好的一致性.

3.4 結(jié)果分析與改進措施

根據(jù)關(guān)節(jié)使用要求,彎曲疲勞壽命在百萬次以上為佳,但以上試驗中彈性鋼板的疲勞壽命偏低,原因如下:1)碳素工具鋼板和不銹鋼板未進行熱處理;2)在用線切割成型時,鋼板邊緣被高溫燒傷,形成了變質(zhì)層和微小裂紋;3)線切割時,SK5碳素工具鋼板材未沿鋼板軋制紋路切割,所受彎矩與紋路垂直,板材軋制紋路過深,表面過于粗糙.

為解決上述問題,以同批次生產(chǎn)的國標SK5鋼材為對象,在正常使用工況(室溫20 ℃)下進行試驗.處理過程:采用淬火再回火的熱處理,線切割后對板材切割邊緣進行修磨,去掉變質(zhì)層,測量粗糙度;對有軋制紋路的碳素工具鋼板材采用沿紋路切割(圖9中的A-1),粗糙度Ra為2.3 μm;打磨拋光(圖9中的A-2),粗糙度Ra為1.7 μm.經(jīng)過處理的兩類彈性鋼板再進行疲勞試驗.

疲勞試驗壽命次數(shù)見表4.由表4可知:A-1和A-2兩組試件平均壽命都有不同程度的延長,分別延長了28.85%和42.48%;試件失效方式均為斷裂,大多斷裂發(fā)生在彈性鋼板根部.試驗結(jié)果驗證了改進措施的可行性和有效性.

表4 疲勞試驗壽命次數(shù)

4 小 結(jié)

本文針對單向彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)中彈性鋼板易出現(xiàn)塑性變形或斷裂導致關(guān)節(jié)失效的問題,采用有限元法分析了彈性鋼板使用時所受的應(yīng)力狀態(tài);通過疲勞試驗分析了彈性鋼板材料和表面質(zhì)量對其使用壽命的影響.結(jié)果表明:彈性鋼板根部所受應(yīng)力隨著彎曲角度的增加呈非線性增大,增長趨勢基本一致,在達到最大值時曲線接近水平,最大值接近各材料的許用應(yīng)力;彈性鋼板加工產(chǎn)生的表面變質(zhì)層和裂紋降低了彈性鋼板的抗疲勞性能;改善鋼板表面質(zhì)量和軋制紋路使用方向能夠提升42.48%的使用壽命.本試驗中,SK5板材的使用次數(shù)達到了80萬次以上,進一步改進有望達到100萬次.本項研究可為提高單向彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)的使用壽命奠定基礎(chǔ),為后期樣機制作提供參考;同時,有利于進一步推動氣動柔性機械手的產(chǎn)業(yè)化.

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