核輻射環(huán)境下機(jī)器人末端工具液壓剪的設(shè)計(jì)

伍廣召 劉永霞

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽 421001）

國際機(jī)器人聯(lián)合會對特種機(jī)器人的定義是應(yīng)用于特殊環(huán)境的機(jī)器人[1]。特種機(jī)器人的研究工作主要圍繞核環(huán)境、軍事應(yīng)用、太空、海洋工程等展開[2]，其作業(yè)環(huán)境十分危險(xiǎn)復(fù)雜，需要完成切割、挖掘、破碎等一系列任務(wù)，且任務(wù)目標(biāo)形狀、質(zhì)量尺寸又不盡相同。因此，僅使用單一末端工具難以完成復(fù)雜多樣的作業(yè)任務(wù)。針對這一問題，常用的解決方法是為機(jī)器人配備相應(yīng)的末端工具庫和末端工具快換裝置，使其能夠在執(zhí)行任務(wù)時(shí)選擇最適合的末端工具，從而提高機(jī)器人的作業(yè)效率。

國內(nèi)外對末端工具都有一定的研究，例如：何慶超[3]提出的空間機(jī)械臂末端工具的研制及其操作策略的研究，研究了一類適合在太空中使用的螺紋連接件末端拆除工具；盧江林[4]研究了適合在太空中使用的末端切削工具和剪刀工具；于航[5]研究了一種適合工業(yè)機(jī)器人的末端磨削工具。但是，目前針對退役核設(shè)施和核泄漏場所的末端工具研究并不多。實(shí)際工程應(yīng)用中，做的較好是瑞典的Brokk機(jī)器人。

本文針對退役核設(shè)施和核泄漏場所設(shè)計(jì)了一款液壓剪末端工具，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高，使用該液壓系統(tǒng)，可避免使用電器元件時(shí)的輻射干擾，配合末端工具快換裝置能夠完整包絡(luò)并剪斷直徑為30 mm及以下的線纜。

1 總體方案

1.1 工作原理

如圖1所示，整個(gè)機(jī)器人可大致分為3個(gè)部分，分別為機(jī)器人主體部分、快換裝置和末端工具，其中快換裝置又可以分為機(jī)械臂端快換裝置和工具端快換裝置[6]。機(jī)器人主體部分通過快換裝置與末端工具連接，快換裝置與末端工具是一對多的關(guān)系，這樣機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)就可以根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的末端工具，從而提高工作效率。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分類

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓剪末端工具整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓剪工具通過快換裝置和機(jī)械臂相連接，通過移動機(jī)械臂將其放在適合剪切線纜的位置，到達(dá)指定位置后，機(jī)械臂保持靜止，液壓剪開始剪切線纜。其工作原理是先依靠快換裝置實(shí)現(xiàn)液壓油路連接，然后由液壓缸在高壓液壓油的驅(qū)動下往復(fù)運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)剪刀的剪切運(yùn)動。線纜剪切過程中，定位限制的依據(jù)是液壓缸的行程。

圖2 液壓剪刀三維示意圖

2 液壓剪工具頭運(yùn)動學(xué)仿真

本節(jié)將使用Creo軟件自帶的機(jī)構(gòu)模塊，對液壓剪工具頭進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，通過分析剪刀虎口的大小范圍和時(shí)間關(guān)系，判斷液壓剪刀能否完全包絡(luò)線纜。

2.1 運(yùn)動分析

在運(yùn)動分析之前，要先抓取一個(gè)特殊點(diǎn)作為起始位置，特殊點(diǎn)抓取完成以后，選擇機(jī)構(gòu)分析，因?yàn)楹罄m(xù)要分析速度，所以類型選擇運(yùn)動學(xué)。設(shè)置剪刀的運(yùn)動參數(shù)過程中，要在軟件首選項(xiàng)里面設(shè)置結(jié)束時(shí)間為106 s，幀數(shù)設(shè)置為1 061，幀頻設(shè)置為10，最小間隔設(shè)置為0.1。之后在分析定義里面設(shè)置電動機(jī)的各個(gè)參數(shù)，從開始到30 s，電動機(jī)運(yùn)行，液壓剪工具頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°動作，然后停止2 s，在32～52 s液壓剪進(jìn)行剪材動作，剪切完成后再停止2 s，54～74 s液壓剪進(jìn)行張口動作，然后再停止2 s，76～106 s液壓剪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。上述動作全部設(shè)置完成以后，點(diǎn)擊運(yùn)行即可。剪刀虎口大小與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

圖3 剪刀虎口大小與時(shí)間關(guān)系圖

2.2 仿真結(jié)果分析

通過分析液壓剪虎口的大小變化曲線可知，剪刀的最大虎口寬度能夠達(dá)到54.95 mm，最小寬度為-10.00 mm，因此剪切時(shí)虎口能夠完全包絡(luò)直徑為30 mm的線纜，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

因?yàn)榫€纜材料多為銅，所以在軟件中要設(shè)置被剪切的材料為銅。線纜直徑為30 mm，銅的屈服極限σ=390 MPa，設(shè)剪刀刀刃厚度為0.2 mm，工件與剪刀刀刃之間最大有效接觸面積為A，剪切過程中接觸面系數(shù)η=2，結(jié)構(gòu)分析可得即將完成剪切時(shí)接觸面積最大，而且此時(shí)工件與剪刀側(cè)面之間的擠壓力與摩擦力也達(dá)到最大[4]，則最大剪切力計(jì)算公式為：

計(jì)算可得F1=4 680 N，根據(jù)液壓剪的整體結(jié)構(gòu)可知其受力分析如圖4所示，其中F為液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力，由力學(xué)分析可知，連桿AB與連桿A1B1為二力桿，受力的方向沿著連桿方向，此時(shí)AB與水平方向的夾角為α，由于對稱性FAB等于FA1B1則有：

圖4 液壓剪刀受力分析

由此可得：

由圖4可知，剪刀受到連桿AB的推力、O點(diǎn)的支持力以及剪切工件時(shí)工件對剪刀的反作用力，取剪切力方向和垂直方向的夾角為β，則有：

綜上所述，可得：

通過上述計(jì)算，最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸如表1所示。

表1 液壓剪刀工具設(shè)計(jì)參數(shù)

將表格的數(shù)據(jù)代入式（5），取表格中的最大值并取安全系數(shù)φ=1.5，可得液壓缸所需的最大推力為3 450 N。通過對液壓剪進(jìn)行力學(xué)分析，為關(guān)鍵零部件校核提供了邊界條件，并為液壓缸的選型和設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)。

3.2 有限元分析

用有限元軟件對剪刀這一關(guān)鍵零部件進(jìn)行仿真分析，通過使用接口將Creo軟件與Ansys Workbench連接，從而將Creo中的模型參數(shù)化，并導(dǎo)入Ansys Workbench中。模型導(dǎo)入后，選擇Static Structural模塊，設(shè)其材料為40Cr，泊松比為0.227，密度為7 870 kg·m-3，楊氏模量為2×105MPa，最大屈服強(qiáng)度為785 MPa。進(jìn)行靜力學(xué)分析之前，將剪刀網(wǎng)格類型選擇為10個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小全局選擇2 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 505，網(wǎng)格數(shù)是7 807，求解結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)力與應(yīng)變圖

由圖5可知，剪刀的最大等效應(yīng)力σmax=479.92 MPa，此時(shí)安全系數(shù)φ=1.64，最大變形量為0.918 96 mm，與剪刀工具頭的整體尺寸相比其變形量非常小，所以結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文針對退役核設(shè)施或者核泄漏場所需進(jìn)行拆除線纜作業(yè)這一特殊情況，設(shè)計(jì)了一款配合拆除機(jī)器人使用的液壓剪末端工具。通過對液壓剪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行力學(xué)和有限元分析，最后使用Creo軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，保證了剪刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。此液壓剪結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高，且具有一定的抗輻射干擾能力。