劉開舉，趙林棟，生 萍，包艷青，苑會(huì)清

（1.國機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306；2.山東女子學(xué)院，山東濟(jì)南 250300；3.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測科技有限公司，山東濟(jì)南 250399）

0 引言

近年來，種類繁多、形式多樣的機(jī)械手在眾多領(lǐng)域得到了空前的發(fā)展和普及[1]。同樣，在鑄造領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的依靠人工搬運(yùn)鑄件的方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的鑄造生產(chǎn)線高效率、高自動(dòng)化、低勞動(dòng)強(qiáng)度的要求，取件機(jī)械手則較好地緩解了這些矛盾，在一定范圍內(nèi)解決了這些問題。手爪作為直接抓取鑄件的機(jī)械手部件，其結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到機(jī)械手的使用效果，爪體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則成為機(jī)械手優(yōu)劣的關(guān)鍵。本文選取豎直狀態(tài)下的手爪為研究對(duì)象，對(duì)爪體進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 手爪的結(jié)構(gòu)組成

手爪部件采用油缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)爪體完成抓取鑄件的工作。包括爪體、基座、爪臂、油缸等部分，爪體與爪臂連接，爪臂與基座通過鉸接方式連接，油缸與爪臂分別通過鉸接方式相連。手爪的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 手爪的結(jié)構(gòu)

2 爪體有限元模型的建立

SolidWorks 公司成立于1993 年，1995 年推出第一套SolidWorks 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。SolidWorks軟件是基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，使用了Windows OLE 技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid 內(nèi)核以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。SolidWorks 軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，并且提高產(chǎn)品質(zhì)量。在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下，使用SolidWorks 軟件，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間是全相關(guān)的。其易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大特色使設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。

本文主要研究爪體的結(jié)構(gòu)性能，采用Solid-Works 軟件對(duì)爪體進(jìn)行三維建模。結(jié)合有限元分析的理論和軟件的分析步驟，對(duì)爪體的三維模型進(jìn)行簡化處理，獲得準(zhǔn)確的有限元模型，避免在仿真分析的過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。主要方法包括細(xì)小部位簡化和局部處理等，將爪體不影響分析結(jié)果的邊角、圓角以及安全區(qū)域的細(xì)小構(gòu)造修改掉。依據(jù)此思路，將爪體的三維模型進(jìn)行簡化。簡化后的爪體三維模型如圖2所示。

圖2 簡化后的爪體三維模型

3 爪體結(jié)構(gòu)的有限元分析

有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡單的部分，這種簡單部分就稱作有限元。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[2]。

SolidWorks Simulation 是一個(gè)與 SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到SolidWorks 的設(shè)計(jì)過程中。SolidWorks Simulation節(jié)省了搜索最佳設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間[3]。

3.1 單元的選擇和網(wǎng)格的劃分

根據(jù)SolidWorks Simulation 的軟件特點(diǎn)，其模塊中有5 種單元類型:一階實(shí)體四面體單元、二階實(shí)體四面體單元、一階三角形殼單元、二階三角形殼單元和橫梁單元[4]。由于本文所研究的爪體為實(shí)心體結(jié)構(gòu)，故選用二階實(shí)體四面體單元。根據(jù)爪體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧運(yùn)算的準(zhǔn)確度和效率，選用粗細(xì)配合的高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)重點(diǎn)部位采用小尺寸單元網(wǎng)格，非關(guān)鍵受力部位采用大尺寸單元網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，中間通過自動(dòng)過渡方式銜接。經(jīng)過本步驟處理的爪體有限元模型的網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖3 所示，劃分的網(wǎng)格如圖4 所示。

圖3 爪體有限元模型的網(wǎng)格細(xì)節(jié)

圖4 爪體網(wǎng)格劃分模型

3.2 材料屬性

爪體為鑄件形式，材料選擇為QT900-2，力學(xué)性能好。材料的密度為ρ=7.3×103kg/m3，泊松比μ=0.27，彈性模量E=1.9×1011N/m2，屈服極限σs=6×108N/m2。該結(jié)構(gòu)的重量為137kg。

3.3 載荷施加的原則和方法

選擇手爪張開時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)爪體所受載荷最大，把集中力施加到爪體的端部，即與鑄件接觸的部位。由于靜態(tài)時(shí)爪體主要受到油缸驅(qū)動(dòng)的外力作用，忽略偏載作用，爪體只受到X、Y 兩個(gè)方向的載荷?；谏鲜鲈O(shè)定，對(duì)爪體施加外力，模擬真實(shí)受力狀態(tài)。根據(jù)手爪的實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算，爪體端部與鑄件的接觸面受到朝向爪體本體的方向的力，力的大小約為16kN，如圖5 所示。

圖5 爪體受到的載荷示意圖

3.4 邊界條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝方式，可以近似地將爪體與爪臂看作是通過二者的連接板連接在一起，即對(duì)爪體的連接板安裝面通過固定的方式進(jìn)行約束，限制了爪體安裝面的各方位動(dòng)作。爪體收到的約束情況如圖6 所示。

圖6 爪體受到的約束情況

3.5 運(yùn)行分析

通過上述步驟，依次完成了爪體的有限元建模、材料設(shè)定、加載、添加約束等工作，將對(duì)其進(jìn)行仿真運(yùn)算[5]。通過SolidWorks Simulation 的軟件的運(yùn)行算例功能完成運(yùn)算，仿真結(jié)果如下：

爪體的von Mises 應(yīng)力分布云圖如圖7 所示。出現(xiàn)的最大von Mises 應(yīng)力值為2.757×107Pa，最大von Mises 應(yīng)力出現(xiàn)的部位是連接板與爪體主體的過渡部位，而爪體中間的實(shí)心部位的von Mises 應(yīng)力最小。由于爪體材料QT900-2 的屈服極限為6×108Pa，可以得出2.757×107Pa＜6×108Pa，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限，即爪體的最大von Mises 應(yīng)力值在QT900-2 的屈服極限范圍內(nèi)，因此爪體的強(qiáng)度特性滿足要求。

圖7 爪體的von Mises 云圖

爪體的合位移分布云圖如圖8 所示。最大的合位移數(shù)值為0.3786mm，出現(xiàn)在爪體的端部，該位移相對(duì)于爪體的尺寸是非常微小的，因此該結(jié)構(gòu)滿足要求。

圖8 爪體的合位移云圖

爪體的應(yīng)變分布云圖如圖9 所示。最大的應(yīng)變數(shù)值為1.005×10-4，出現(xiàn)在連接板與爪體主體的過渡部位，該應(yīng)變是非常微小的。

圖9 爪體的應(yīng)變云圖

爪體的安全系數(shù)分布云圖如圖10 所示。最小的安全系數(shù)數(shù)值為21.76，安全系數(shù)整體較大，說明該結(jié)構(gòu)比較安全。

圖10 爪體的安全系數(shù)云圖

綜上所述，通過對(duì)爪體的von Mises 應(yīng)力、合位移、應(yīng)變、安全系數(shù)的仿真結(jié)果分析，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較安全，雖然局部出現(xiàn)了最大von Mises 應(yīng)力，但相比于材料的屈服極限，是非常微小的。該結(jié)構(gòu)的變形量也是非常微小的，安全系數(shù)相對(duì)較大。整體來看，該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 爪體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上一節(jié)的仿真結(jié)果分析來看，爪體的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為可靠，安全系數(shù)較高，雖然能滿足設(shè)計(jì)要求，但也存在著一些問題，比如材料消耗較多導(dǎo)致成本增加，機(jī)構(gòu)較為笨重導(dǎo)致自重偏大，中間部位受力很小無需過厚的材料。因此，提出以下優(yōu)化建議：對(duì)爪體中間部位減薄設(shè)計(jì)，減輕重量，優(yōu)化后的爪體重量為64kg。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的爪體結(jié)構(gòu)三維模型如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化后的爪體三維模型

根據(jù)上節(jié)的仿真流程和步驟，在同等條件下，通過SolidWorks Simulation 軟件對(duì)優(yōu)化后的爪體進(jìn)行力學(xué)性能仿真分析，得出優(yōu)化后的爪體的仿真結(jié)果如下。

爪體的von Mises 應(yīng)力分布云圖如圖12 所示。出現(xiàn)的最大von Mises 應(yīng)力值為4.71×107Pa，最大von Mises 應(yīng)力出現(xiàn)的部位是連接板與爪體主體的過渡部位。由于爪體材料QT900-2 的屈服極限為6×108Pa，可以得出4.71×107Pa＜6×108Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限，即爪體的最大von Mises 應(yīng)力值在QT900-2 的屈服極限范圍內(nèi)，因此爪體的強(qiáng)度特性滿足要求。

圖12 優(yōu)化后爪體的von Mises 云圖

爪體的合位移分布云圖如圖13 所示。最大的合位移數(shù)值為0.701mm，出現(xiàn)在爪體的端部，該位移相對(duì)于爪體的尺寸是非常微小的，因此該結(jié)構(gòu)滿足要求。

圖13 優(yōu)化后的爪體的合位移云圖

爪體的應(yīng)變分布云圖如圖14 所示。最大的應(yīng)變數(shù)值為1.701×10-4，出現(xiàn)在連接板與爪體主體的過渡部位，該應(yīng)變是非常微小的。

圖14 優(yōu)化后的爪體的應(yīng)變云圖

爪體的安全系數(shù)分布云圖如圖15 所示。最小的安全系數(shù)數(shù)值為12.74，安全系數(shù)整體較大，說明該結(jié)構(gòu)比較安全。

圖15 優(yōu)化后的爪體的安全系數(shù)云圖

綜上所述，通過對(duì)優(yōu)化后的爪體的von Mises應(yīng)力、合位移、應(yīng)變、安全系數(shù)的仿真結(jié)果分析，優(yōu)化后的爪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較安全，同樣雖然局部出現(xiàn)了最大von Mises 應(yīng)力，但相比于材料的屈服極限，是非常微小的。該結(jié)構(gòu)的變形量也是非常微小的，安全系數(shù)相對(duì)較大。整體來看，該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比原始設(shè)計(jì)的爪體結(jié)構(gòu)，重量由137kg 減小到64kg，減重比例達(dá)到53%，減重效果顯著，節(jié)約了成本，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

5 總結(jié)

通過SolidWorks Simulation 軟件對(duì)爪體的有限元分析，成功獲得了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并發(fā)現(xiàn)了原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理部位。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，有針對(duì)性地提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，通過再次對(duì)優(yōu)化后的爪體結(jié)構(gòu)的有限元分析，得出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)同樣滿足設(shè)計(jì)要求。不僅提高了設(shè)計(jì)的效率，縮短了研發(fā)周期，也極大地降低了成本，為物理樣機(jī)的試制提供了理論依據(jù)，為設(shè)計(jì)人員提供了直觀的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，還可以在爪體的端部安裝耐高溫和耐磨的夾持塊，即保護(hù)了鑄件，又可以實(shí)現(xiàn)定期更換來保護(hù)爪體長久使用的目的。