數(shù)控加工自動上下料機械手爪設(shè)計與仿真

劉飛飛，孟得姣，高堂盼

(江西理工大學 a.電氣工程學院；b.機電工程學院，江西 贛州 341000)

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數(shù)控加工自動上下料機械手爪設(shè)計與仿真

劉飛飛a，孟得姣b，高堂盼b

(江西理工大學 a.電氣工程學院；b.機電工程學院，江西 贛州 341000)

針對當前數(shù)控車床加工陶瓷過程中無法實現(xiàn)自動上料、下料的問題，設(shè)計了一種能滿足陶瓷加工上下料要求的機械式手爪部件。首先，對陶瓷的加工工藝進行了分析，并結(jié)合其工藝要求對機械式手爪進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；然后，利用ANSYS Workbench以及ADAMS對該機械式手爪進行了靜力學和運動學仿真分析。研究了機械式手爪的抓力對陶瓷毛坯加工過程的影響，仿真結(jié)果表明：機械式手爪能很好地完成陶瓷毛坯自動抓取動作，驗證了機械式手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與準確性，對實際生產(chǎn)具有較大的指導意義。

陶瓷加工；機械式手爪；運動學仿真

0 引言

隨著工業(yè)自動化的提高，自動化機器人被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并且深入到人類生活的各個方面[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。某工廠廠房車間數(shù)控機床加工絕緣子陶瓷時主要是依靠人工進行上下料，數(shù)控機床附近的工作環(huán)境非常惡劣，如圖1所示。廠房內(nèi)易產(chǎn)生大量粉塵并伴有嚴重的噪音，工人長期在這種環(huán)境下工作，會對其身體健康產(chǎn)生不利影響，而且使用人工裝卸毛坯，效率非常低，因此，該工廠目前迫切需要解決這個問題。

為了解決該生產(chǎn)絕緣子陶瓷工廠所面臨的問題，亦為了實現(xiàn)該工廠自動化無損壞抓取陶瓷毛坯，必須要設(shè)計一套符合于陶瓷毛坯抓取加工領(lǐng)域的機械手和配套夾具?，F(xiàn)采用ABB機械手代替人手進行機械操作[4]，為實現(xiàn)陶瓷毛坯工件自動化上下料操作為其設(shè)計了專用機械手爪裝置。在抓取陶瓷毛坯材料的過程中，機械手用來代替人手進行材料的抓取與輸送，這樣機械手末端的設(shè)計更顯得尤為重要。不但要求機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考慮[5]。陶瓷毛坯材料為易碎材料，這樣更要求手爪設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性。手爪在抓取過程不但要精確抓取同時要對陶瓷毛坯材料進行保護。

圖1 某陶瓷加工廠工人工作場景

1 機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計

1.1 陶瓷上下料加工工藝過程

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

抓坯過程：要求機械手爪能夠靈活無損壞抓取陶瓷毛坯。首先利用傳感器檢測毛坯是否準確到達抓取位置，若到達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)控機床裝夾工作臺，將陶瓷毛坯裝夾到數(shù)控機床上進行機械加工。

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

復(fù)位過程：機械手爪完成卸料后，上升至安全位置，機械手抓漸漸恢復(fù)到原來狀態(tài)。復(fù)位完成并準備隨時進行下一工位的操作。

圖2 機械手爪工作過程

1.2 基于Solidworks機械手爪模型的建立

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)計取決于具體的工作對象和工作方式。因此，末端執(zhí)行器的設(shè)計，要考慮多方面的影響因素?；诂F(xiàn)場考察、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)計了一套符合該公司生產(chǎn)的機械手爪用來投入工廠生產(chǎn)輸送線，如圖3機械手爪模型所示，該手爪模型是用來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)這種實際情況要求，設(shè)計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、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置等部分組成。目前大多數(shù)機械手爪采用電機驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動等傳統(tǒng)的驅(qū)動方式，在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣，氣壓驅(qū)動的工作介質(zhì)是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜，而且工作壓力也低的很多。氣動系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一是操作簡單、易于編程，所以可以完成大量點位搬運操作的任務(wù)，氣壓驅(qū)動在所有機器人中是重量最輕的，其成本也最低，另外氣壓傳動可以實現(xiàn)模塊化組件形成任意復(fù)雜的系統(tǒng)，因此該機械手爪采用氣壓驅(qū)動。

機械手爪傳動原理簡圖，如圖4所示。該機構(gòu)采用了雙滑塊的傳動形式，在活塞推桿1的動力作用下推動三角板上下往復(fù)運動，雙滑塊采取對稱布置各自的轉(zhuǎn)動副分別于三角板2相連接，滑塊又分別通過移動副與爪子相連接，爪子通過轉(zhuǎn)動副與基座相連接。當三角板往復(fù)運動時，帶動雙滑塊在爪子的導向內(nèi)移動，爪子在滑塊的動力作用下繞著基座轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)爪子的開合，爪子的開合就能使得對陶瓷毛坯的抓取與放下動作的實現(xiàn)。

圖3 機械手爪模型圖

圖4 機械手爪結(jié)構(gòu)簡圖

如圖5為手爪抓取重物的結(jié)構(gòu)簡圖，當氣缸1上氣閥打開通氣時在氣壓的作用下是活塞推桿2動作。在活塞推桿2的作用下四桿機構(gòu)動作，首先三角板3使得滑塊7在滑竿4的方向下動作，然后下壓爪子5使其牢牢抓取陶瓷毛坯，整個過程是實現(xiàn)機械手爪抓取工件的過程。反之，當下氣閥打開通氣時是手爪放下工件的過程。

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 手爪抓取重物簡圖

2 機械手爪力學分析和運動學分析

2.1 機械手爪力學分析

機械手爪在進行操作時，其手指的夾持力N與氣缸的氣壓壓力P的比值稱為機械手爪的傳動比。機械手爪在抓取陶瓷毛坯時，由于陶瓷毛坯的體積和質(zhì)量的不同，每次手指張開的范圍也會不同，最終使得抓取時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夾緊力不會對物體造成損傷，保持陶瓷毛坯的完整性。機械手爪受力簡圖如圖6所示。

圖6 機械手爪在豎直方向靜止狀態(tài)下受力分析圖

從圖6中可知，氣缸對活賽推桿所產(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O點進行受力分析，∑Fy=0，得：

(1)

對陶瓷毛坯進行受力分析，∑Fy=0，得：

F=2Nsinα+G

(2)

對鉸支點A取矩，由力矩平衡條件得：

FCD·l=N·lAP

(3)

從而得到夾緊力N的大小與手爪對陶瓷毛坯支持力為F的大?。?/p>

(4)

其中：l為力FCD到鉸支點A的距離；lap為夾緊力N到鉸支點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 運動學分析

如圖7所示，其中圖7a是手爪初始狀態(tài)，圖7b是夾緊位置。為分析從氣缸運動傳遞到爪子的運動傳遞關(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′是動系[7]?？芍獎酉蹬c定系之間的之間的坐標關(guān)系為：

(5)

圖7 桿件的連系關(guān)系簡圖

將動參考系固定在爪子上，滑塊D為動點。顯然動點D相對于爪子的運動為直線運動。因此滑塊的運動軌跡為沿爪子方向的一段直線。相對速度νr和相對加速度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重合的那一點的速度合加速度。爪子繞支點O轉(zhuǎn)動，因此，知道絕對速度νa為勻速的情況可知推桿下降的高度為h=νat?？傻玫较鄬λ俣扰c絕對速度分別為：

(6)

那么爪子的角速度：

(7)

lcd—支點到滑塊的距離；lcp—爪子自由狀態(tài)時支點到滑塊的距離；lpd—爪子運動時所運行的距離。

lcd，lcp，lpd的單位為mm，ω的單位為rad/s。

又因為：φ=ωt，lcp自由狀態(tài)趨于0時，可得：

ωt≈tanωt

(8)

這是一個超越方程，ωt不能直接表達，但有無數(shù)多個正根。這樣可知角速度ω隨時間t不斷變化的過程。

那么爪子指尖的運動速度ν與滑塊繞點B的角速度ωB分別為：

(9)

綜上可知：爪子角速度ω隨時間t不斷變化的過程,從式(9)中可知氣缸速度與爪子速度之間的傳遞關(guān)系。

3 機械手爪仿真分析

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

首先，通過Solidworks與ANSYS Workbench接口將機械手爪三維模型導入到AWE環(huán)境中，在“Engineering Data”設(shè)置好相關(guān)的材料屬性，機械手爪各部分材料屬性如表1所示[9]。其次，利用“mesh”功能對機械手爪進行網(wǎng)格劃分。選擇自由網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格的疏密會直接影響計算結(jié)果精度，網(wǎng)格太疏會影響計算精度，網(wǎng)格太密又會使得計算時間過長，降低了效率。經(jīng)過適當調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)，確定了機械手爪有限元網(wǎng)格劃分模型，機械手爪劃分了153081個單元，306494個節(jié)點，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，對手抓的靜平臺設(shè)置固定約束。通過靜力學分析的公式(4)，可知在氣缸荷載的作用下爪子所受力在80～100N之間，現(xiàn)在對爪子施加負載100N，經(jīng)過有限元分析得到機械手爪的變形云圖和等效變形云圖如圖9、圖10所示。

圖8 機械手爪有限元模型

圖9 機械手爪變形云圖

圖10 機械手爪等效應(yīng)變云圖

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。對陶瓷毛坯引起的變形非常小，整個機械手爪能夠承受該機械載荷并能完成操作。

3.2 基于adams的運動學仿真分析

氣缸的平均速度是氣缸的運動行程L除以氣缸的動作時間t。通常所說的氣缸使用速度都是指平均速度。標準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。機械手爪準確抓取陶瓷毛坯的氣缸運行的距離為60mm，運行時間為1.4s。

在Adams中進行機械手爪的運動學仿真，需要將裝配體導入Adams中。分析該裝配體，雖然復(fù)雜，但構(gòu)件的數(shù)目并不多，實際上只包含四個構(gòu)件：①爪子，②滑塊機構(gòu)，③推桿，④機架。把裝配體中四個構(gòu)件分別存為Parasolid格式的文件[8]，然后依次導入Adams中施加約束，對該機構(gòu)添加了九個轉(zhuǎn)動副，五個滑動副，一個驅(qū)動約束。將“MOTION_1”的速度函數(shù)定義為“IF(time -1.5:-50,50,50)”，對機械手爪的抓取于放下陶瓷毛坯的過程進行仿真，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

圖12 爪子角速度與角加速度曲線

圖11表示函數(shù)曲線是在驅(qū)動作用下，機械手爪在全局坐標系X，Y，Z方向上的位移、速度、加速度曲線等運動學相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，機械手爪的運動曲線平滑連續(xù)，無尖點、跳躍與間斷，且位移曲線緩慢往下運動變化；速度曲線斜率變化的趨勢，對應(yīng)于加速度的變化；加速度曲線波峰(谷)值不高，加速度最大值相對較小。圖12表示爪子角速度曲線斜率的變化的趨勢，對應(yīng)于角加速度的變化；角速度隨時間變化的過程，變化較平緩無突變。根據(jù)仿真結(jié)果，系統(tǒng)在運動過程中，始終能夠平穩(wěn)變化，且無沖擊、無振動，在整個運動過程中，機械手爪能夠準確抓取陶瓷毛坯，完全符合設(shè)計要求，即機械手爪在行進過程中，爪子能夠準確抓取陶瓷毛坯，并且通過平面四桿機構(gòu)調(diào)節(jié)機械手爪重心始終處于平衡狀態(tài)，能夠保證抓取過程連續(xù)平穩(wěn)行進。

4 結(jié)論

針對工廠陶瓷加工實現(xiàn)自動裝夾的難題，設(shè)計了一套專用型手爪，并對其部分結(jié)構(gòu)進行了靜態(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)可以完成對陶瓷毛坯的抓取。又對整個機構(gòu)建立了虛擬樣機并進行了運動學仿真分析，從運動學分析結(jié)果中可以看出，機械手爪能夠平穩(wěn)抓取陶瓷毛坯。對推動機床上下料機器人的發(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，江西理工大學教授，碩士研究生導師，博士，研究方向為高效節(jié)能礦冶機電裝備及其智能化、礦冶生產(chǎn)過程模擬與控制，(E-mail)gzlff@126.com；通訊作者：孟得姣(1989—)，男，山東菏澤人，江西理工大學碩士研究生，研究方向為機械工程，(E-mail)2862100628@qq.com。

TH122；TG65

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