宋和義，王 雷，胡 聰，鄧海順,2

1安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院 安徽淮南 232001

2安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001

煤礦巷道架管安裝工作大部分仍以人工為主，導(dǎo)致架管效率低下，難以高效地完成巷道高強度的架管需求。目前，國內(nèi)外尚無成熟的專門應(yīng)用于煤礦巷道的輔助安裝設(shè)備，尤其針對兩淮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的輔助安裝設(shè)備。有鑒于此，筆者設(shè)計了一種煤礦巷道管道輔助安裝機械設(shè)備——架管機，并對其核心部件機械手爪進行了優(yōu)化。近年來，國內(nèi)學(xué)者對機械手爪進行了大量研究工作，在手爪設(shè)計[1]、建模仿真[2]和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]等方面進行了較為深入的研究。唐瑞等人[4]給出了一種欠驅(qū)動手爪 SARAH，該手爪能夠獲得人手的抓取效果，但自由度較少，控制復(fù)雜。王建軍[5]設(shè)計了一種由電磁閥控制氣缸運動，實現(xiàn)夾緊的搬運機械手爪，但該手爪只能單向直線運動，且只能適用于特定環(huán)境下圓柱形試管的抓取，在煤礦巷道狹小的環(huán)境下無法穩(wěn)定工作。李坤嶺等人[6]進行了基于 ADAMS 機械爪手的方案評選與優(yōu)化設(shè)計，但所設(shè)計手爪對抓取物體尺寸有嚴格的限制，適應(yīng)性差。依據(jù)上述有關(guān)機械手爪的研究現(xiàn)狀，結(jié)合架管機的工作要求，筆者對架管機機械手夾爪和被連接件進行了多目標設(shè)計優(yōu)化，改進了機械手爪結(jié)構(gòu)，并完成了對架管機機械手爪的理論和動態(tài)分析。

1 工作原理

機械手抓如圖 1 所示。機械手爪由雙向液壓缸控制，其兩端分別與左右夾爪鉸鏈連接，控制夾爪的開合。而機械手爪外殼用來定位和支撐夾爪，其上端與調(diào)角液壓桿鉸鏈連接，并與機械手爪的橫軸連接。當調(diào)角液壓缸伸縮的時候，會使外殼帶動夾爪繞夾管器橫軸轉(zhuǎn)動，可調(diào)節(jié)夾爪的張開角度。架管機放置架提升會帶動夾爪升高，實現(xiàn)指定高度下的架管。在機械手爪的左右夾爪上開有向里凹陷的槽，使內(nèi)夾套能夠安裝在夾爪內(nèi)，通過更換不同厚度的內(nèi)夾套，可大大提高機械手爪的適應(yīng)性。在內(nèi)夾套的結(jié)構(gòu)上設(shè)有突出部分，當內(nèi)夾套剛好夾緊管道的時候，2 個內(nèi)夾套的突出部分就會接觸，阻止夾爪繼續(xù)夾緊管道，避免過度夾緊。

圖1 機械手爪Fig.1 Sketch of manipulator

2 機械手爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化參數(shù)的選擇

在保證手爪的應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力，又保證手爪末端夾持部位的位移小于 0.1 mm 的條件下，對手爪構(gòu)件壁厚進行優(yōu)化。選定手爪的外殼、左右夾爪、內(nèi)夾套厚度為手爪優(yōu)化的設(shè)計變量，以整體質(zhì)量為優(yōu)化目標，以最大位移和最大許用應(yīng)力為約束條件，建立約束函數(shù)

式中：m(xi)為迭代函數(shù)；i為各構(gòu)件編號；xi為機械各構(gòu)件厚度；f為最大形變位移；σmax為材料最大許用應(yīng)力。

對液壓缸可伸縮活塞桿施加驅(qū)動力、內(nèi)夾套在施加管件重力作用下進行迭代優(yōu)化，得到機械手爪各構(gòu)件厚度的靈敏度柱狀圖，如圖 2 所示。

圖2 機械手爪靈敏度Fig.2 Sensitivity of manipulator

靈敏度分析可以確定哪些構(gòu)件壁厚對機械系統(tǒng)有較大影響，正靈敏度表示構(gòu)件壁厚與優(yōu)化參數(shù)成正相關(guān)關(guān)系[7]。由圖 2 可知，與機械手爪的外殼和內(nèi)夾套相比，左右夾爪厚度對機構(gòu)的最大應(yīng)力、最大位移、質(zhì)量均有較大影響。按約束函數(shù)對機械結(jié)構(gòu)進行 5 次迭代后，得到機構(gòu)總位移(如圖 3 所示)、參數(shù)響應(yīng)曲面及機構(gòu)應(yīng)力云圖(如圖 4、5 所示)。由圖 3 可知，機構(gòu)總位移＜0.1 mm，滿足機構(gòu)的實際工況使用要求。由圖 4 可知，夾爪在壁厚變化過程中最大等效應(yīng)力為 34.5 MPa，遠遠小于材料的許用應(yīng)力，存在較大的優(yōu)化空間。圖 5 所示為機械手爪所受的驅(qū)動力為820 N 時的機構(gòu)應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力發(fā)生在手爪夾持機構(gòu)的中間部位，其位移量很小，足以完成管道的夾持工作。

圖3 機構(gòu)總位移Fig.3 Overall deformation of mechanism

圖4 參數(shù)響應(yīng)曲面Fig.4 Parametric response surface

圖5 機構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contours of mechanism

迭代優(yōu)化后，得到各構(gòu)件壁厚的優(yōu)化數(shù)據(jù)，如表1 所列。

表1 主要構(gòu)件壁厚的優(yōu)化數(shù)據(jù)Tab.1 Optimization data of wall thickness of main parts

由表 1 可知，優(yōu)化設(shè)計后機械手爪最大位移量為 0.007 55 mm，小于手爪材料的最大許用位移量 0.1 mm，滿足設(shè)計安全要求。質(zhì)量由原來的 58 kg 減少為45 kg，質(zhì)量比之前減少了 22.4%，節(jié)約了材料，方便在煤礦巷道運輸與拆卸。

2.2 計算分析

左右夾爪工況相同，為了簡化優(yōu)化流程和減少參數(shù)選取的復(fù)雜度，取手爪裝置左半部分的左夾爪為研究對象。左夾爪機構(gòu)主要由液壓缸、可伸縮活塞桿、連桿和 V 形夾塊等組成，受力分析如圖 6 所示。機械手爪主要用于夾持煤礦巷道通風(fēng)管道，手爪在夾持過程中受到液壓缸驅(qū)動力作用，對管道接觸面產(chǎn)生壓力Fn1和Fn2。當機械手爪處于夾緊狀態(tài)時，管道與手爪之間會產(chǎn)生靜摩擦力Ff，F(xiàn)f=mg=2μFn1。取摩擦因數(shù)μ=0.15，手爪兩側(cè)對稱，通過計算可得手爪的夾持力Fn1=Fn2=980 N。將理論計算數(shù)據(jù)與動力學(xué)軟件仿真數(shù)據(jù)進行對比，校核設(shè)計的夾持裝置是否達到所需夾持力要求。

圖6 夾爪受力示意Fig.6 Force sketch of gripper

由圖 6 可知

式中：F為液壓缸的驅(qū)動力；F1、F2分別為驅(qū)動力F沿連桿方向的分力。

分別對鉸點O1和O2取矩，求出F1和F2?？紤]到結(jié)構(gòu)的左右對稱性，取右側(cè)為研究對象進行分析，對O2點取矩計算后可得

聯(lián)立式(2)、(3)，整理可得

夾取工件時，α≈34°，a＝258 mm，b＝180 mm。代入式(4)可得F＝752 N。

3 仿真驗證

根據(jù)煤礦實際工況添加運動副和約束，在ADAMS 中建立手爪動力學(xué)仿真模型，如圖 7 所示。取機械手爪夾持直徑為 200 mm 通風(fēng)管時為研究對象，在手爪與工件接觸處施加與夾持力Fn1，F(xiàn)n2大小相等的，方向相反的力Fn1′和Fn2′進行仿真計算。仿真結(jié)果顯示，在可伸縮活塞桿處測量驅(qū)動力F′，F(xiàn)′與液壓缸完成抓取動作所需要的驅(qū)動力F大小相等，即由 ADAMS 軟件得到動力仿真數(shù)據(jù)F′=751.6 N。由動力仿真可知理論計算數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果差值很小，在允許誤差范圍之內(nèi)，所以手爪結(jié)構(gòu)能夠滿足在煤礦巷道對通風(fēng)管的抓取要求。

圖7 手爪動力學(xué)仿真模型Fig.7 Dynamic simulation model of manipulator

在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，手爪尺寸變化過程中驅(qū)動力F越小越好，由式(4)可知α和θ影響F的大小。而由夾爪受力簡圖 6 可知，變量α和θ均與連桿之間的鉸接點D點的坐標有關(guān)，所以將D點坐標(x，y)作為優(yōu)化設(shè)計變量，建立對F的測量，同時對結(jié)構(gòu)中α和θ進行測量，以觀察 2 個角度優(yōu)化前后的變化情況。利用 ADAMS 優(yōu)化設(shè)計功能模塊，對機構(gòu)進行設(shè)計分析，得到驅(qū)動力優(yōu)化軌跡，如圖 8 所示。機構(gòu)優(yōu)化前后參數(shù)對比如表 2 所列。

圖8 驅(qū)動力優(yōu)化軌跡Fig.8 Optimal trajectory of drive force

表2 機構(gòu)優(yōu)化前后參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters before and after mechanism optimization

由表 2 可以看出，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，a由 35.8°改變?yōu)?39.9°，θ由 75.4°改變?yōu)?79.2°，驅(qū)動力F由751.6 N 改變?yōu)?622.3 N，驅(qū)動力減少了 17.2%，達到機械手爪在滿足使用要求的前提下使驅(qū)動力盡量小的目的。

4 結(jié)語

通過對架管機機械手爪進行有限元分析和仿真驗證，得出如下結(jié)論。

(1)機械手爪的左右夾爪是整個機構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上對構(gòu)件壁厚進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果滿足實際工況要求，且手爪質(zhì)量減輕了 13 kg。

(2)在一定范圍內(nèi)，增大夾爪連桿之間的夾角，有利于減少液壓缸驅(qū)動力，改善機械手爪的傳力性能，最終優(yōu)化結(jié)果實現(xiàn)驅(qū)動力較優(yōu)化前節(jié)省了 17.2%。

(3)以 ANSYS 靈敏度分析為基礎(chǔ)，確定影響手爪動態(tài)性能靈敏度較大的參數(shù)為左右夾爪厚度，機械手爪的最大應(yīng)力值隨著夾爪厚度的增大而減小。