信義兵，高躍飛，劉海濤

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

夾緊機(jī)械手是在夾具設(shè)計(jì)、機(jī)床、煤礦機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用比較多的一種機(jī)構(gòu)[1]。它作為直接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本身的形狀、重量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著直接的影響。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往受經(jīng)驗(yàn)的影響比較大，而且設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況有很大出入，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本文針對(duì)目前夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中難于同時(shí)保證重量輕且剛度高的問(wèn)題，提出了應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的方案。首先通過(guò)UG對(duì)夾緊機(jī)械手進(jìn)行虛擬建模，并以ANSYS Workbench軟件作為分析平臺(tái)，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析以及拓?fù)鋬?yōu)化，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位和設(shè)計(jì)缺陷，并對(duì)原有結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，得出了較為滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，不僅降低了產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用，而且大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和品質(zhì)。

1 夾緊機(jī)械手設(shè)計(jì)與受力分析

1.1 夾緊機(jī)械手力學(xué)分析

圖1中，連桿3分別通過(guò)圓柱銷與夾緊手指4和活塞桿1相連，形成O、O1、O2、O3四個(gè)回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)，通過(guò)活塞桿1的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿以及夾緊手指實(shí)現(xiàn)對(duì)工件5的夾緊與松開?；钊麠U的驅(qū)動(dòng)力F來(lái)自于液壓缸的作用力。夾緊力FN與驅(qū)動(dòng)力F的比值稱為增力比，增力比的大小是衡量夾緊機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在夾緊力不變的情況下，增力比越大，驅(qū)動(dòng)力越小，機(jī)械效率也就越高。當(dāng)圖中時(shí)0≈α，機(jī)構(gòu)處于自鎖位置，此時(shí)如果活塞桿繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，反而會(huì)使夾緊手指松開，所以當(dāng)夾取不同規(guī)格的工件時(shí)，需要更換不同的夾緊手指。

圖1 夾緊機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與三維模型

所以：

工件所需夾緊力的大小可由下式計(jì)算：

其中N1為安全系數(shù)；N2為工況系數(shù)，主要考慮工件在搬運(yùn)過(guò)程中加速度對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的影響；N3為方位系數(shù)；G為工件質(zhì)量（kg），本設(shè)計(jì)中取工件的質(zhì)量為14kg。考慮到夾緊力過(guò)大有可能導(dǎo)致工件的損壞，最終確定FN=950N。

結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后由公式可以得出驅(qū)動(dòng)力F=452N?？紤]到液壓缸的傳動(dòng)效率，液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力Fsj要大于計(jì)算所得到的力F，即，η傳取0.85，故Fsi=532N。

1.2 夾緊液壓缸的選擇

本文選擇雙作用液壓缸作為夾緊機(jī)械手的動(dòng)力源[2]，缸筒與支架固定，由活塞桿實(shí)現(xiàn)載荷的驅(qū)動(dòng)。工作原理如圖2所示。

圖2 雙作用液壓缸工作原理圖

當(dāng)A口進(jìn)油B口出油時(shí)，活塞桿伸出；當(dāng)B口進(jìn)油A口出油時(shí)，活塞桿收回，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿的正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)夾緊手指的開啟與關(guān)閉。

2 有限元模型的建立以及靜態(tài)分析

1）有限元模型的建立

ANSYS Workbench支持導(dǎo)入各種CAD軟件創(chuàng)建的幾何模型，本文基于UG軟件建立了夾緊機(jī)械手三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，但建模過(guò)程中，簡(jiǎn)化要盡可能的少，這樣才能真實(shí)地反應(yīng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，本文主要對(duì)液壓缸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。然后將UG中已經(jīng)建立好的三維模型導(dǎo)ANSYS Workbench中，分析模塊選擇“Static Structural”。

2）材料屬性

首先定義夾緊機(jī)械手零件的材料屬性。結(jié)構(gòu)主要由45鋼制造，主要力學(xué)性能：彈性模量為200GPa；泊松比為0.3；密度7850kg/m3，強(qiáng)度極限為450MPa。

3）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量是影響計(jì)算精度的重要因素，網(wǎng)格的劃分也是整個(gè)有限元分析中最耗時(shí)的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型比較簡(jiǎn)單，所以本文直接利用軟件默認(rèn)的自由劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過(guò)拖動(dòng)Relevance滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的細(xì)化與粗糙。最后得出機(jī)械手的網(wǎng)格如圖3所示，其中單元數(shù)為22665，節(jié)點(diǎn)數(shù)為45830。

圖3 夾緊機(jī)械手的網(wǎng)格劃分結(jié)果

4）載荷的計(jì)算和約束的施加

根據(jù)夾緊機(jī)械手實(shí)際工作情況，只需在夾緊手指X方向上施加載荷大小為950N，在活塞桿的上表面施加全約束（Fixed Support）。

圖4 機(jī)械手的靜態(tài)變形圖

圖5 機(jī)械手的靜態(tài)應(yīng)力圖

計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，最大變形為0.3186mm（如圖4所示）,出現(xiàn)在夾緊手指的最底部; 機(jī)械手的最大Mises應(yīng)力為123.2MPa（如圖5所示），出現(xiàn)在夾緊手指的直角處；安全系數(shù)為：n=450MPa/123.2MPa=3.65，大于強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)2.5，測(cè)得機(jī)械手的重量為5.87kg，由以上數(shù)據(jù)可知機(jī)構(gòu)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是的目標(biāo)是尋找承受單載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)或“最小應(yīng)變能”設(shè)計(jì)[3]?；诿芏群瘮?shù)建立線彈性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在靜力狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

本文設(shè)置重量減少20%為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)夾緊機(jī)械手進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，項(xiàng)目模塊選擇“Shape opitimization”，其余設(shè)置均與靜力學(xué)分析一樣，最后的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖

圖7 改進(jìn)后機(jī)械手三維模型

箭頭所指的深色部分即為可以切除的部分，其余為保留的部分。由于拓?fù)鋬?yōu)化后的模型的形狀不規(guī)則，考慮到夾緊機(jī)械手的實(shí)際工作情況，不能將深色部分全部切除，所以只對(duì)模型中部分零件進(jìn)行改進(jìn)，主要對(duì)活塞桿、夾緊手指、支架進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的模型如圖7所示。

為了直接反映原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)的差異，再對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，約束設(shè)置與載荷條件完全與原結(jié)構(gòu)相同。圖8即為改進(jìn)后機(jī)械手的靜態(tài)變形圖。

圖8 改進(jìn)后機(jī)械手的靜態(tài)變形圖

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)總變形和等效應(yīng)力均有所下降，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)減重20%的要求，優(yōu)化取得了一定的成效。

表1 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS Workbench的Shape opitimization功能模塊, 對(duì)夾緊機(jī)械手進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在滿足機(jī)械手整體強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，對(duì)機(jī)械手部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減輕了其自身的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率[4]。

計(jì)算結(jié)果也表明采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在提高機(jī)械手結(jié)構(gòu)的整體性能方面具有積極的作用，該方法切實(shí)可行，同時(shí)也對(duì)同種零件的輕量化提供了一定參考。

[1] 席曉燕.基于ADAMS的礦用夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化與動(dòng)力學(xué)分析[J].煤礦機(jī)械.2014(1):62-64.

[2] 臧克江,陳晶,王躍輝,等.液壓缸[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3] 關(guān)英俊,辛宏偉,趙貴軍,等.空間相機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程.2007(8):1158-1162.

[4] 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:243-245.