張子強(qiáng)，吳天躍

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000 )

0 引 言

目前破拆機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，包括建房、修路、救援等諸多方面都有破拆機(jī)器人，隨著我國科技的飛速發(fā)展，破拆機(jī)器人也更偏向于自動(dòng)化和智能化，同時(shí)為了滿足生活實(shí)際的需求，該機(jī)械的屬具也逐漸多樣化，屬具作為破拆機(jī)械的手掌是不可缺少的，目前市面上的屬具有液壓破碎器、液壓鉗、夯實(shí)器、挖斗、裂土器、夾木機(jī)等多種類型，不同的“手掌”實(shí)現(xiàn)不同的功能，達(dá)到不同的作用效果。然而，目前的破拆機(jī)器人全自動(dòng)快換裝置[1]更換屬具時(shí)會(huì)造成位姿誤差，且屬具都放置在地面上，這可能會(huì)加劇屬具的腐蝕，且更換難度大，更換效率較低。由于這些弊端的存在，讓破拆機(jī)器人屬具架的設(shè)計(jì)制造成為可能。筆者由此設(shè)計(jì)了一種屬具架來解決存在的問題。該屬具架可適應(yīng)位姿誤差，提高屬具的更換效率和工作安全性，保證破拆機(jī)器人和工人的安全。

1 屬具架工作原理

該屬具架如圖1所示，結(jié)構(gòu)由支架機(jī)構(gòu)1，平移機(jī)構(gòu)2和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3三個(gè)部分組成，支架機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相臨并固連，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過中間板與平移機(jī)構(gòu)相連接，平移機(jī)構(gòu)通過底座與地面固連，支架機(jī)構(gòu)起到承載屬具的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)和平移兩機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)了屬具架更換過程中破拆機(jī)器人臂膀與屬具之間位姿誤差的補(bǔ)償和更換完成后機(jī)構(gòu)的自復(fù)位作用屬具架模型如圖2所示。

圖1 屬具架整體結(jié)構(gòu)圖 圖2 屬具架三維模型圖1.支架機(jī)構(gòu) 2.平移機(jī)構(gòu)3.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 屬具架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，此結(jié)構(gòu)主要由托板和角支架通過螺栓(M20)連接而成，托板采用V形設(shè)計(jì)，既能保證其受力均勻又能保證屬具不從屬具架脫落，各個(gè)角支架采用三角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)主要在于能在保證材料的剛度條件下盡量節(jié)省材料減輕屬具架的自重，且使各構(gòu)件之間較容易裝配；在豎直支架之間用橫支架連接固定，以保證屬具架在水平面縱向上受力時(shí)保證結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定，豎直角支架的下部通過螺栓(M10)與轉(zhuǎn)動(dòng)托板連接固定，保證各平移結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間順利裝配。

圖3 平移組結(jié)構(gòu)示意圖1.托板 2.螺母 3.螺栓 4.短豎直支架 5.橫支架 6.長豎直支架

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由中間的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及對稱固接在中間板四周的回位機(jī)構(gòu)組成。如圖4，位于轉(zhuǎn)動(dòng)托板與中間板之間的中間軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中起主要作用，中間軸承上下表面分別與轉(zhuǎn)動(dòng)托板的下表面與中間板的上表面完全重合，通過軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)屬具在屬具架上的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)破拆機(jī)器人完成屬具的更換時(shí)，回位部即將起作用以使轉(zhuǎn)動(dòng)托板順利復(fù)位。拉桿通過螺栓分別與轉(zhuǎn)動(dòng)托板與滑塊相連，復(fù)位彈簧左右兩端分別與滑塊與導(dǎo)軌固連，同時(shí)導(dǎo)軌通過緊固螺釘與中間板相連。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)處于原始狀態(tài)時(shí)，復(fù)位彈簧處于原長；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)托板通過拉桿使滑塊移動(dòng)時(shí)，彈簧被拉長，滑塊受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的拉力以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的成功復(fù)位。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)組結(jié)構(gòu)示意圖1.轉(zhuǎn)動(dòng)托板 2.中間軸承 3.滑塊 4.復(fù)位彈簧 5.中間板 6.緊固螺釘 7.螺栓 8.拉桿 9.導(dǎo)軌

2.3 平移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平移機(jī)構(gòu)上端的角支撐通過螺栓與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的中間板相連，該結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)件是位于結(jié)構(gòu)中心的中間塊，各構(gòu)件在中間塊內(nèi)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求。平移組由上下兩個(gè)部分組成，兩個(gè)部分分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互垂直方向上的移動(dòng)，直線軸承固定在中間塊內(nèi)，滑軌與直線軸承標(biāo)準(zhǔn)配合，能保證各個(gè)滑軌在中間塊中滑動(dòng)，復(fù)位彈簧兩端分別插入中間塊的凹槽和角支架的凸起內(nèi)，與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的復(fù)位彈簧執(zhí)行原理相同，均是通過工作過程中彈簧的作用力來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的復(fù)位，該機(jī)構(gòu)下端通過底座與地面固連以保證屬具架整體的固定和正常工作，平移結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 平移組結(jié)構(gòu)示意圖1.角支架 2.底板 3.復(fù)位彈簧 4.滑軌 5.直線軸承 6.底座 7.中間塊

考慮到屬具的尺寸大小及工作過程中屬具架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，底板設(shè)計(jì)成邊長為1 200 mm、厚30 mm的正方形鋼板；托板厚30 mm，主受力底面長800 mm寬450 mm。該屬具架結(jié)構(gòu)整體占地面積為1 440 000 mm2,總高度為820 mm。

3 基于ANSYS工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[3]

3.1 模型建立

使用SolidWorks軟件，建立固定框架的三維模型，打開有限元解析軟件，導(dǎo)入解析模型，選擇Q345鋼作為材料，設(shè)定彈性模量Ex=206 000 MPa，Poisson比U=0.3，密度為7 850 kg/mm3。網(wǎng)格由10個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體(尺寸為5 mm)劃分。網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 結(jié)構(gòu)接觸設(shè)置

如圖3、5所示，該結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位在托板與角支架的螺栓連接處和最下端的滑軌與角支架的連接處，為了模型求解方便，且盡可能使模型處理與實(shí)際工況相符，故只在上述兩類危險(xiǎn)部位更改默認(rèn)接觸，其他部分的接觸仍為bond。將四個(gè)螺栓連接及軸與主體的接觸面由默認(rèn)的固連改為有相對滑動(dòng)，其中摩擦系數(shù)設(shè)定為0.5。以兩接觸面為例，如圖7所示。

圖7 接觸設(shè)置示意圖

其中，上述螺栓和兩個(gè)長滑軌是需要重點(diǎn)關(guān)注的部位，所以該部位附近的網(wǎng)格需要加密[4]。將其網(wǎng)格尺寸由5 mm改為2 mm，如圖8所示。

圖8 局部網(wǎng)格加密示意圖

3.3 邊界條件施加

先對四個(gè)底座下底面施加固定約束，然后對模型整體施加重力加速度，在垂直于托板向下的方向施加2 000 N的均布載荷.根據(jù)螺栓預(yù)緊力公式[5]：

(1)

查閱機(jī)械手冊得8.8級(jí)普通螺栓的許用應(yīng)力[σ]=640 MPa，螺栓危險(xiǎn)截面的直徑d=17.84 mm；F0為螺栓所受的預(yù)緊力。由計(jì)算可得：F0=123 060 N。邊界條件施加結(jié)果如圖9所示。

圖9 邊界條件施加結(jié)果示意圖

(2)

式中：F=2 000 N,δs=345 MPa,δ0=198.83 MPa。

3.4 結(jié)果分析

當(dāng)施加2 000 N靜載荷時(shí)，其最大應(yīng)力所在位置如圖10所示在長導(dǎo)軌處，最大應(yīng)力值為198.83 MPa，符合實(shí)際情況。該結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限在345 MPa，由于該模型零件數(shù)較多，用計(jì)算機(jī)解決一次求解問題需要消耗大量時(shí)間，所以為了節(jié)省時(shí)間和成本，筆者通過公式(2)計(jì)算得出當(dāng)施加3 470 N的靜載荷時(shí)，導(dǎo)軌達(dá)到屈服極限345 MPa。通過靜力學(xué)分析顯示，屬具架的極限承載能力為347 kg，能夠完成中小型屬具的更換，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖10 結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

介紹了屬具架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于整體特征的有限元分析。該機(jī)構(gòu)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)共三個(gè)自由度[2]，故其在水平面內(nèi)無約束，可做任意運(yùn)動(dòng)，保證了屬具更換過程中的靈活性，在很大程度上提高了破拆機(jī)器人的工作效率。同時(shí)由應(yīng)力分析結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)目前的承載能力相對較弱，以上結(jié)果也為屬具架的優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。