胡岳，劉誠

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

木地板碼垛機械手末端夾持機構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真

胡岳，劉誠

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

論文設(shè)計了一款可以一次性抓取多塊木地板的末端夾持型執(zhí)行機構(gòu)。運用SolidWorks三維制圖軟件建立了機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的三維模型。并運用ADAMS仿真軟件對機械手末端夾持機構(gòu)的三維模型進行運動學(xué)分析。結(jié)果表明，論文所設(shè)計的機械手末端夾持機構(gòu)能夠平穩(wěn)抓取和放開板材，達(dá)到使用要求。

木地板；碼垛機械手；末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計；運動學(xué)仿真

0 引言

機械手是能夠模仿人的手臂來達(dá)到某些功能，可以按固定的程序進行抓取、搬運、碼垛物件或操作工具的一種機械電子裝置［1］。隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展速度越來越快，市場的競爭也越來越激烈，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)批量較原來變小，產(chǎn)品的生命周期也縮短，生產(chǎn)需求和生產(chǎn)線較低工作效率之間的矛盾日益突出［2］。因此，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率對于各個制造行業(yè)尤為重要。對于木地板行業(yè)，運用機械手將半成品從一個工序移送到另一個工序或?qū)⒊善钒徇\并碼垛，極大地提高了木地板生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，同時減小了企業(yè)在人員上的開支，避免了人在工作中的不慎操作導(dǎo)致人受傷或產(chǎn)品的損壞［3］。

現(xiàn)在用于抓取板材的碼垛機械手末端執(zhí)行機構(gòu)大多采用真空吸附式的末端執(zhí)行機構(gòu)，這種機構(gòu)雖可以穩(wěn)定的抓取板材，但每次只能抓取一塊板材，機械手要完成工作就要重復(fù)更多次抓取、放開動作。如要真空吸附式執(zhí)行機構(gòu)抓取多塊板材，則執(zhí)行機構(gòu)的外形尺寸和重量都要加大，這對于提高生產(chǎn)效率是一個極大的障礙。為了解決這一問題本文采用夾持型機構(gòu)，這種機構(gòu)就可以一次性穩(wěn)定地夾取多塊板材，從而極大地提高了機械手的工作效率，同時也縮小了末端執(zhí)行機構(gòu)的大小和重量。

夾持型末端執(zhí)行機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)型手爪和平移型手爪兩種［4］，由于抓取的目標(biāo)物是多塊木地板，所以夾持時機械臂應(yīng)能夠使每塊板材都能受到足夠的夾取力來防止各塊板材受力不均導(dǎo)致搬運過程中板材掉落。而回轉(zhuǎn)型的夾持機構(gòu)在板材尺寸略有變化的情況下就可能出現(xiàn)夾爪夾持時與板材之間產(chǎn)生一定的角度，這樣就造成加在部分板材上的夾持力變小甚至沒有夾持力，因此本設(shè)計采用平移型手爪來解決這一問題。

1 機構(gòu)設(shè)計

1.1機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的運動原理

木地板碼垛機械手末端執(zhí)行機構(gòu)運用氣缸驅(qū)動機械手臂可以實現(xiàn)抓取、放開目標(biāo)抓取物。本設(shè)計運用氣缸帶動一個平行四邊形桿機構(gòu)來驅(qū)動兩個機械臂，使機械臂運動時能夠達(dá)到平行移動的目的。圖1是機械手爪的機構(gòu)原理示意圖。

圖1　機械手爪機構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of the end effector

氣缸驅(qū)動桿1上下移動，桿1則帶動桿2、3、4、5組成的平行四邊形機構(gòu)，當(dāng)桿1向上移動時機械臂6、7相向運動從而夾緊目標(biāo)夾取物，桿1向下移動時機械臂6、7相反運動從而放開目標(biāo)夾緊物。

1.2整體方案設(shè)計

本文選用SMC公司生產(chǎn)的CG1-LN40-50Z的氣缸作為驅(qū)動單元，其缸徑為40mm，行程為50mm。經(jīng)計算，該氣缸在驅(qū)動力和行程上能夠滿足要求。

本設(shè)計運用Solidworks軟件對機械爪的各個零部件進行三維模型的建立，然后再組裝成裝配體。Solidworks是一個基于windows平臺的三位機械設(shè)計自動化軟件，主要采用參數(shù)化和特征造型技術(shù)進行建模［5］。Solidworks以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械設(shè)計的設(shè)計效率和質(zhì)量，目前已成為主流的3D CAD軟件［6］。

在對末端執(zhí)行機構(gòu)三維模型的建立時，先逐步地建立機械手爪各個單元的模型，然后再對各個單元模型按照布局來進行裝配。主要包括滑動導(dǎo)軌與滑塊固定在底座上的裝配，氣缸裝配，機械臂與夾板單元裝配并固定在滑動軌道的滑塊上，頂部支撐架與底座裝配，氣缸、連桿及機械手臂的裝配等。裝配時使用合適的配合方式并選用Solidworks自帶的標(biāo)準(zhǔn)螺絲螺母等進行定位。為以后的機械手爪運動學(xué)分析仿真做準(zhǔn)備。圖2是機械手爪的總裝配三維模型圖。

圖2　末端執(zhí)行機構(gòu)的裝配三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model diagram of the end effector

2 運動學(xué)仿真

運用ADAMS仿真軟件進行運動學(xué)的仿真來驗證機械手末端執(zhí)行機構(gòu)張開時的尺寸是否比板材尺寸大從而能夠達(dá)到裝夾板材的位置，夾緊時的尺寸是否能夠滿足夾起板材的條件，另外該執(zhí)行機構(gòu)在運行時是否能夠平穩(wěn)地完成抓取和放開目標(biāo)抓取物的動作等。目前美國機械動力學(xué)公司的ADAMS軟件是世界上應(yīng)用最廣泛最具權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件［7］。ADAMS是以計算多系統(tǒng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機開發(fā)系統(tǒng)軟件，利用它可以建立起復(fù)雜的機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)模型［8～10］。將Solidworks中創(chuàng)建的機械手三維模型導(dǎo)入到ADAMS中。

運用ADAMS軟件的添加約束模塊對三維模型的各個零件之間的關(guān)節(jié)進行運動副的設(shè)置。其中移動副有5個，轉(zhuǎn)動副有8個，然后運用ADAMS驅(qū)動設(shè)置模塊中的平行移動副驅(qū)動設(shè)置氣缸活塞桿的運動參數(shù)然后進行仿真分析。以下圖示是氣缸活塞桿和兩個末端夾板運動分析結(jié)果。

圖3　末端兩夾板的時間-位移曲線Fig.3 Time-displacement curve of the echanical fingers

圖4　末端兩夾板的時間-速度曲線Fig.4 Time-speed curve of the mechanical fingers

圖5　末端兩夾板時間-加速度曲線Fig.5 Time-acceleration curve of the mechanical fingers

所選的氣缸行程為50mm，通過移動副驅(qū)動設(shè)置可知設(shè)定的氣缸行程為50mm。兩個末端夾板的總移動行程為60mm，兩末端夾板最大距離大于板材尺寸，表明兩夾板可以到達(dá)夾取板材的位置。兩末端夾板最小距離能夠滿足完成夾取木地板動作的條件。從仿真結(jié)果可以看到機械爪末端夾板的速度和加速度曲線是一條平滑連續(xù)的曲線，這說明機械爪在運動和抓取過程中運行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)速度和加速度的突變，并且機械結(jié)構(gòu)沒有干涉和震動的現(xiàn)象，能夠達(dá)到使用要求。

3 結(jié)束語

本文完成了對木地板碼垛機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的各個模塊的機構(gòu)設(shè)計，并且建立了該執(zhí)行機構(gòu)的三維模型。通過對建立的三維模型進行運動學(xué)仿真分析，驗證了該設(shè)計能夠滿足夾取板材的尺寸要求，并且其運行平穩(wěn)，無干涉和震動現(xiàn)象，能夠滿足使用要求。為木地板生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化產(chǎn)品碼垛和搬運提供了一個可借鑒的方法。

［1］王建軍.搬運機械手仿真設(shè)計和制作［J］.機械設(shè)計及制造，2012，3.

［2］蔣新松.未來機器人技術(shù)發(fā)展方向的探討［J］.機器人，1996，5.

［3］馬光，申桂英.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2002，3.

［4］井江浩.工業(yè)機器人執(zhí)行器的快速變型設(shè)計與分析［J］.機械設(shè)計與制造，2014，1.

［5］胡仁喜.Solidworks2012機械設(shè)計從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［6］DS Solidworks公司.Solidworks零件與裝配體教程［M］.機械工業(yè)出版社，2013.

［7］Chen Q，Luh J YS.Petri Net truncation：an effective approach tosloving complex scheduling problem［A］.IEEE Int Conf on Robotics and Automation［C］.Atlanta，GA，USA：IEEE Comput SocPress，1993.

［8］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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Structure Design and Kinematics Simulation of the Clamping Mechanism on Palletizing Robot for Wooden Floors

HU Yue，LIU Cheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

This paper designs an end effector for carrying several wood floors at one time.Three-dimensional model of the end effector is founded by using Solidworks，and the kinematics simulation is made by ADAMS.The results show that the designing can grab and release the floors smoothly，validate the gripper can meet the design requirement.

wood floor；palletizing robot；the designing of the end effector；kinematics simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-067-03

2014-12-30

胡岳，機械設(shè)計及理論在讀研究生；通信作者：劉誠，男，吉林扶余人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。從事木制品先進制造技術(shù)與設(shè)備研究。