胡岳，劉誠(chéng)

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

木地板碼垛機(jī)械手末端夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

胡岳，劉誠(chéng)

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

論文設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)。運(yùn)用SolidWorks三維制圖軟件建立了機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維模型。并運(yùn)用ADAMS仿真軟件對(duì)機(jī)械手末端夾持機(jī)構(gòu)的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。結(jié)果表明，論文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手末端夾持機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)抓取和放開(kāi)板材，達(dá)到使用要求。

木地板；碼垛機(jī)械手；末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

機(jī)械手是能夠模仿人的手臂來(lái)達(dá)到某些功能，可以按固定的程序進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、碼垛物件或操作工具的一種機(jī)械電子裝置［1］。隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展速度越來(lái)越快，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)批量較原來(lái)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(duì)于各個(gè)制造行業(yè)尤為重要。對(duì)于木地板行業(yè)，運(yùn)用機(jī)械手將半成品從一個(gè)工序移送到另一個(gè)工序或?qū)⒊善钒徇\(yùn)并碼垛，極大地提高了木地板生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，同時(shí)減小了企業(yè)在人員上的開(kāi)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(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多采用真空吸附式的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種機(jī)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(jī)械手要完成工作就要重復(fù)更多次抓取、放開(kāi)動(dòng)作。如要真空吸附式執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取多塊板材，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外形尺寸和重量都要加大，這對(duì)于提高生產(chǎn)效率是一個(gè)極大的障礙。為了解決這一問(wèn)題本文采用夾持型機(jī)構(gòu)，這種機(jī)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(jī)械手的工作效率，同時(shí)也縮小了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大小和重量。

夾持型末端執(zhí)行機(jī)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?shī)A持時(shí)機(jī)械臂應(yīng)能夠使每塊板材都能受到足夠的夾取力來(lái)防止各塊板材受力不均導(dǎo)致搬運(yùn)過(guò)程中板材掉落。而回轉(zhuǎn)型的夾持機(jī)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(shí)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(méi)有夾持力，因此本設(shè)計(jì)采用平移型手爪來(lái)解決這一問(wèn)題。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

木地板碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂可以實(shí)現(xiàn)抓取、放開(kāi)目標(biāo)抓取物。本設(shè)計(jì)運(yùn)用氣缸帶動(dòng)一個(gè)平行四邊形桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)機(jī)械臂，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠達(dá)到平行移動(dòng)的目的。圖1是機(jī)械手爪的機(jī)構(gòu)原理示意圖。

圖1　機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of the end effector

氣缸驅(qū)動(dòng)桿1上下移動(dòng)，桿1則帶動(dòng)桿2、3、4、5組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)，當(dāng)桿1向上移動(dòng)時(shí)機(jī)械臂6、7相向運(yùn)動(dòng)從而夾緊目標(biāo)夾取物，桿1向下移動(dòng)時(shí)機(jī)械臂6、7相反運(yùn)動(dòng)從而放開(kāi)目標(biāo)夾緊物。

1.2整體方案設(shè)計(jì)

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

本設(shè)計(jì)運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)機(jī)械爪的各個(gè)零部件進(jìn)行三維模型的建立，然后再組裝成裝配體。Solidworks是一個(gè)基于windows平臺(tái)的三位機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，主要采用參數(shù)化和特征造型技術(shù)進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，目前已成為主流的3D CAD軟件［6］。

在對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型的建立時(shí)，先逐步地建立機(jī)械手爪各個(gè)單元的模型，然后再對(duì)各個(gè)單元模型按照布局來(lái)進(jìn)行裝配。主要包括滑動(dòng)導(dǎo)軌與滑塊固定在底座上的裝配，氣缸裝配，機(jī)械臂與夾板單元裝配并固定在滑動(dòng)軌道的滑塊上，頂部支撐架與底座裝配，氣缸、連桿及機(jī)械手臂的裝配等。裝配時(shí)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(jìn)行定位。為以后的機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真做準(zhǔn)備。圖2是機(jī)械手爪的總裝配三維模型圖。

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

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

運(yùn)用ADAMS仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真來(lái)驗(yàn)證機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)張開(kāi)時(shí)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(shí)的尺寸是否能夠滿足夾起板材的條件，另外該執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)是否能夠平穩(wěn)地完成抓取和放開(kāi)目標(biāo)抓取物的動(dòng)作等。目前美國(guó)機(jī)械動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件［7］。ADAMS是以計(jì)算多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個(gè)專業(yè)模塊和專業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，利用它可以建立起復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型［8～10］。將Solidworks中創(chuàng)建的機(jī)械手三維模型導(dǎo)入到ADAMS中。

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

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

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

圖5　末端兩夾板時(shí)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(guò)移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)設(shè)置可知設(shè)定的氣缸行程為50mm。兩個(gè)末端夾板的總移動(dòng)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(dòng)作的條件。從仿真結(jié)果可以看到機(jī)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(shuō)明機(jī)械爪在運(yùn)動(dòng)和抓取過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)速度和加速度的突變，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有干涉和震動(dòng)的現(xiàn)象，能夠達(dá)到使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了對(duì)木地板碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且建立了該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維模型。通過(guò)對(duì)建立的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)能夠滿足夾取板材的尺寸要求，并且其運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)干涉和震動(dòng)現(xiàn)象，能夠滿足使用要求。為木地板生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化產(chǎn)品碼垛和搬運(yùn)提供了一個(gè)可借鑒的方法。

［1］王建軍.搬運(yùn)機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)和制作［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)及制造，2012，3.

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

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

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

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

［6］DS Solidworks公司.Solidworks零件與裝配體教程［M］.機(jī)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(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［9］Movahedy M.Gdata M S，Altintas Y.Simulation of orthogonal metal cutting process using an arbitr any lagrangian Eulerian finite element method［J］.Journal of Materials Processing technology，2000，2.

［10］賈長(zhǎng)治.MD ADAMS虛擬樣機(jī)從入門到精通［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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