TPU 柔性夾持器的設(shè)計與有限元分析

胡金洲，楊鐵牛，杜華娜，陳曉波，劉樂章，藍(lán)鍵

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

夾持器類機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)械加工、工業(yè)自動化機(jī)械手、醫(yī)療器械、車輛工程等制造業(yè)應(yīng)用廣泛. 夾持器主要由機(jī)械手和夾取物體的夾具兩部分組成. 近幾年，隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的高速發(fā)展，對夾具的要求越來越高，而常見的機(jī)械式夾具由于效率不高，且容易對一些工件造成表面損傷，顯然已經(jīng)不能滿足如今工業(yè)自動化的要求. 因此，設(shè)計一款能抓取不同形狀且不損傷工件的柔性夾具就尤為重要. 夾具的柔性就是指夾具的適應(yīng)性，夾具系統(tǒng)能夠快速地適應(yīng)不同幾何形狀物體的抓取要求，對外形不同的物體抓取需求能作出快速夾緊，以滿足實際不同工況要求.

本文選擇 TPU（Thermoplastic Urethane，TPU）材料并使用 3D 打印方式制作柔性夾具. TPU是一種超彈性體，由非晶體和長鏈分子組成，機(jī)械性能介于塑料和橡膠之間，屬于非線性材料. 其彈性行為不同于金屬，TPU 可以承受大彈性大變形而幾乎不可壓縮（只有少量的體積變化），其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出高度的非線性；優(yōu)異的耐磨性能；TPU 具有良好的拉伸性，其拉伸強(qiáng)度是天然橡膠和合成橡膠的2～3 倍；TPU 耐油性能優(yōu)異于丁睛橡膠，具有極好的耐油壽命；耐低溫、耐候性、耐臭氧性能；TPU 的耐氣候老化性能優(yōu)天然橡膠和其他合成橡膠. 綜上，TPU 是柔性夾具的優(yōu)良材料.

本文根據(jù)貨物分揀線實際情況設(shè)計柔性夾持器的結(jié)構(gòu)方案及關(guān)鍵部件，通過 3D 打印的方式用TPU 材料制作柔性夾具，并對TPU 材料進(jìn)行性能檢測及單軸拉伸實驗，得出其力學(xué)性能，最后對柔性夾具抓取工件時進(jìn)行有限元分析，評估所設(shè)計柔性夾持器的結(jié)構(gòu)合理性及柔性夾具拉伸極限，并進(jìn)行柔性夾持器抓取物件的實驗.

1 夾持器方案設(shè)計

貨物分揀線是物流配送中心依據(jù)顧客的訂單要求或配送計劃，迅速、準(zhǔn)確地將商品從其儲位或其他區(qū)位揀取出來，并按一定的方式進(jìn)行分類、集中的作業(yè)過程產(chǎn)線. 本文針對貨物分揀線上小物件（最大外輪廓不超過150 mm 且重量不超過1 kg）的抓取要求，設(shè)計一種小功率夾持器. 鑒于市場需求及簡便可靠性要求確定柔性夾持器為兩爪式，柔性夾具分別有上下兩個固定端，只有當(dāng)這兩個端點存在相對運動時，柔性夾具才會發(fā)生形變. 初步設(shè)計出柔性夾具如圖1 所示.

拓?fù)鋬?yōu)化是在給定設(shè)計域內(nèi)對材料布局進(jìn)行優(yōu)化的一種數(shù)值方法，本文運用 ANSYS 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計對夾具進(jìn)行外觀優(yōu)化及尺寸優(yōu)化，過程如圖2 所示.

圖1 柔性夾具初步設(shè)計圖

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化過程圖

最終優(yōu)化結(jié)果如圖 3 所示，上端點和下端點分別固定在有相對運動的機(jī)構(gòu)上，抓取物件時，兩個夾點向中間靠攏.

為了抓取貨物分揀輸送帶上任意位置和方位的工件，夾持器選用 3 自由度機(jī)械手，結(jié)構(gòu)如圖 4 所示. 因為三軸機(jī)械手主要是參與流水線的工作，所以對其本身快速、精確的特點要求非常高，所以在材質(zhì)方面主要采用鋼性設(shè)計，這樣可以在不停的工作中能夠大大減少震動，延長其使用的壽命；三軸機(jī)械手前后、上下用汽缸驅(qū)動，手臂則采取高精密度線性滑軌，這樣使得機(jī)械手不但穩(wěn)定、噪音低、效率高，定位精確，而且非常耐熱、耐磨. 其中 3 自由度分別是X 軸伸縮運動、Z 軸上下運動、 X 軸旋轉(zhuǎn)運動.

圖3 柔性夾具結(jié)構(gòu)圖

夾持器的9 個重要零件如圖5 所示，柔性夾具為夾持器核心部件，它的上下端分別通過螺栓固定在滑臺氣缸的缸體和滑塊上，當(dāng)滑臺氣缸被啟動時，滑塊下移帶動固定的柔性夾具上端一起移動，此時柔性夾具的上端和下端發(fā)生相對運動，夾點向中間靠攏，從而達(dá)到抓取物體的目的，再配合 3自由度運動，則該柔性夾持器能夠抓取輸送帶上任意位置和方位的工件.

圖4 三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖5 柔性夾持器裝配圖

2 TPU 單軸拉伸測試實驗

進(jìn)行拉伸試驗前，需要在相應(yīng)軟件上選取實驗結(jié)果輸出的參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)試樣的各項具體參數(shù)、拉伸的速度和加速度、拉伸所需要力的大小等. 載荷—位移曲線圖如圖6 所示.

由上圖可知，TPU 與線性材料碳素鋼相比，其載荷位移曲線明顯呈非線性，故彈性模量為變值；TPU 極限拉伸強(qiáng)度為34.8 MPa，故柔性夾具在抓取物體時其最大強(qiáng)度不得超過該數(shù)值.

圖6 TPU 拉伸實驗載荷-位移圖

3 柔性夾具有限元分析

TPU 幾乎不可壓縮（只有少量的體積變化），其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出高度的非線性，非線性材料中的彈性恢復(fù)力主要來自非線性材料中熵的減少. 對非線性材料中分子鏈的長度、方向及結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計得到非線性材料的本構(gòu)關(guān)系.

Mooney-Rivlin 本構(gòu)模型的特殊形式可以設(shè)定某些參數(shù)為0 來得到. 如果所有 Cij等于0，則能夠得到縮減多項式模型：

Mooney-Rivlin 模型能很好地描述TPU 材料的變形，在小應(yīng)變范圍內(nèi)該模型具有很好地穩(wěn)定性，在工程問題中作為常用模型，故以Mooney-Rivlin 模型作為本文計算方程.

3.1 定義材料屬性

將單軸拉伸實驗得出 TPU 實驗數(shù)據(jù)添加到Table of Properties ， 從Hyperelastic 超彈體下拉列表中選擇Yeoh 3rd order 超彈性應(yīng)變能密度函數(shù)，并運行最小二乘法曲線擬合程序[9]，實驗數(shù)據(jù)擬合如圖7 所示.

圖7 實驗數(shù)據(jù)擬合圖

3.2 網(wǎng)格劃分

對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計算的精度和速度. 本次柔夾網(wǎng)格劃分節(jié)點281 306 個，單元60 160 個，平均網(wǎng)格質(zhì)量 0.802，整體網(wǎng)格質(zhì)量較優(yōu)，可以滿足基本要求.

3.3 載荷施加

加載約束，添加Fixed Support 固定約束作用對象為柔性夾具下端點，添加Diplacement 位移對象為柔性夾具下端點，方向豎直向下，加載位移量50 mm，添加重力加速度，方向豎直向下，如圖8 所示.

3.4 求解結(jié)果

經(jīng)求解得到柔性夾具Z 方向位移分布云圖、夾具應(yīng)變分布云圖、夾具應(yīng)力分布云圖，如圖 9所示.

圖8 約束加載圖

圖9 夾具位移、應(yīng)變、應(yīng)力分布云圖

由上圖可知，柔性夾具夾點Z 方向最大位移量d 為84.945 mm；最大應(yīng)變量為0.041 mm，幾何變形量很小基本可以忽略；最大應(yīng)力值 1.175 × 10-4MPa （約為極限強(qiáng)度的 0.3 ×10-5%），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 TPU的極限拉伸強(qiáng)度. 故該柔性夾具的應(yīng)力、幾何變形量均在安全范圍內(nèi)，由此也可以推斷柔性夾持器滿足基本的抓夾工件要求.

4 實驗結(jié)果

為驗證本文設(shè)計的柔性夾持器實際工作能力，進(jìn)行模擬貨物分揀流水線實際抓取貨物實驗，結(jié)果如圖8 所示.

圖10 柔性夾具夾取實物圖

從圖 10 可以看到，本文設(shè)計的柔性夾持器具有較強(qiáng)的兼容性，它能夠輕松抓取外輪廓寬度在150 mm 以內(nèi)且重量不超過1 kg 的物體，如抓取毛絨玩具、紙巾盒等柔軟物體，也能抓取礦泉水水瓶等脆性物體，還能抓取表面噴漆的金屬罐. 經(jīng)觀察，被抓取后的各類物件表面無損傷.

5 結(jié)論

以貨物分揀為技術(shù)背景，本文設(shè)計了一種以TPU 為主要材料的柔性夾持器，并通過有限元仿真及模擬實驗進(jìn)行分析論證，柔性夾持器具有較好的兼容性，大大提高了工作效率，節(jié)約了成本，且該夾持器的夾具用柔性材料制作，對工件基本沒有損傷，為同類機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考.