王良文 孔陽光 王若瀾 張志剛 劉旭玲 李林峰

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,鄭州,450002

2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院,鄭州,450002

3.河南省機(jī)械裝備智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州,450002

0 引言

脆性材料的抗動載荷和抗沖擊的能力均較差,抗壓能力遠(yuǎn)高于抗拉能力,具有易碎特性,而典型的脆性材料(如玻璃、陶瓷等)應(yīng)用非常廣泛。在食品包裝生產(chǎn)、輕工產(chǎn)品的加工以及各類物流生產(chǎn)線上,采用機(jī)械手完成對薄壁易碎工件的抓取與作業(yè),具有很大的應(yīng)用需求[1-2]。

在采用機(jī)械手實(shí)施對易碎件的作業(yè)過程中,易碎件的容許強(qiáng)度限制了機(jī)械手與易碎工件之間的接觸應(yīng)力。研發(fā)適用于薄壁易碎工件抓取與轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器存在較大的技術(shù)瓶頸,比如:高速抓取過程中,抓取手指與薄壁易碎件之間的碰觸沖擊可能導(dǎo)致易碎件的破損;而在裝配易碎工件的過程中,機(jī)械手對易碎件采用“硬”的施力模式,易造成易碎件破損等問題。綜上,對薄壁易碎工件作業(yè)機(jī)械手操作過程的接觸碰撞進(jìn)行分析與仿真具有重要意義。

世界上已有許多公司研發(fā)了適用于生產(chǎn)線的上下料機(jī)械手系統(tǒng)。如針對汽車風(fēng)窗玻璃安裝過程,張永春等[3]設(shè)計(jì)了自動上下料系統(tǒng)。機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定功能作業(yè)的關(guān)鍵部件是末端執(zhí)行器[4],而機(jī)械手手指設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。許多科研人員對機(jī)械手的抓取進(jìn)行了探討,如SINTOV等[5]研究了側(cè)面抓取的策略,VINCENT等[6]改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)器人抓取器可以抓取大而薄的物體。

研究機(jī)械手抓取易碎件的過程,開展抓取過程的沖擊仿真,對完善機(jī)械手的結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。對易碎件作業(yè)過程開展類似的研究包含:RATHOD等[7]對陶瓷-金屬復(fù)合材料的彈道性能進(jìn)行了數(shù)值分析,胡文進(jìn)等[8]研究了不同速度下玻璃鋼船與冰的碰撞情況。但在現(xiàn)有的研究中,還較少涉及在采用機(jī)械手抓取薄壁易碎工件的作業(yè)過程中開展接觸碰觸的研究。

在本研究中,針對工業(yè)生產(chǎn)中對薄壁易碎件的抓取轉(zhuǎn)運(yùn)與裝配需求,提出了一種具有指掌協(xié)同特征、適用于薄壁脆性圓柱內(nèi)壁工件作業(yè)的內(nèi)撐式機(jī)械手構(gòu)型。為了探索機(jī)械手抓取過程的接觸-碰撞規(guī)律,采用HyperMesh等軟件集成建模的方法,建立了機(jī)械手指端零部件的有限元模型,計(jì)算得到了易碎件接觸碰撞過程中的應(yīng)力等變化規(guī)律。

由于有限元模型設(shè)計(jì)復(fù)雜,且存在仿真運(yùn)行時間較長、軟件集成難度大等問題[9],所以,為研究在不同壁厚、速度條件下的應(yīng)力變化,以仿真計(jì)算獲得的機(jī)械手抓取參數(shù)與抓取作業(yè)時接觸應(yīng)力的變化規(guī)律為基礎(chǔ),開展了不同壁厚、速度條件下應(yīng)力大小的預(yù)測研究。

針對建立預(yù)測模型,國內(nèi)外已開展了相關(guān)研究:王文竹等[10]通過引入Kriging代理模型,對鼓式制動器穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);DENIMAL等[11]利用復(fù)模態(tài)分析對制動噪聲進(jìn)行了預(yù)測;HAWCHAR等[12]利用主成分分析和多項(xiàng)式展開來逼近極限狀態(tài)面;MEDINA-GONZALEZ等[13]提出了一種基于Kriging元模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動決策框架方法。本文的研究中,通過建立Kriging代理模型,計(jì)算得到了不同壁厚、抓取速度條件下接觸應(yīng)力的預(yù)測值,研究過程為改良手指結(jié)構(gòu)及確定作業(yè)過程參數(shù)建立了基礎(chǔ)。

1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

本文針對特定生產(chǎn)線上的上料與裝配機(jī)械手進(jìn)行研究,其作業(yè)過程如圖1所示[14]。將專用的易碎環(huán)狀工件(圖1a)轉(zhuǎn)運(yùn)在模具上方(圖1b),并裝配在模腔的凸模上。

(a)易碎環(huán)狀工件 (b)成形模具

當(dāng)采用機(jī)械手將被夾持的工件安裝在模腔的凸模上時,需要在成形模的中心凸模外壁與外模內(nèi)壁之間的狹小縫隙間完成工件在凸模上的套裝作業(yè)。綜合考慮作業(yè)特征和技術(shù)要求,采用一種手指系統(tǒng)回縮、手掌下壓的作業(yè)模式進(jìn)行研究。

本設(shè)計(jì)中,將內(nèi)撐式三手指嵌套在桶狀手掌的內(nèi)圓柱面內(nèi),通過指掌聯(lián)合完成工件在狹窄空間內(nèi)的下壓裝配作業(yè)。并設(shè)置導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)及彈性結(jié)構(gòu),保證機(jī)械手的手指在完成下壓裝配后能夠平穩(wěn)地回復(fù)原位[15-16],相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。綜合機(jī)械手的結(jié)構(gòu)功能要求,將機(jī)械手安裝在可實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)動的模組上,從而形成機(jī)械手系統(tǒng)的構(gòu)型。

圖2 實(shí)現(xiàn)內(nèi)撐抓取的機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械手抓取易碎件接觸沖擊仿真相關(guān)技術(shù)

2.1 集成建模仿真技術(shù)關(guān)鍵

在本研究中,對機(jī)械手指碰撞易碎件的過程運(yùn)用SolidWorks、HyperMesh、LS-PrePost等軟件進(jìn)行集成建模,首先通過SolidWorks建立三維實(shí)體模型,導(dǎo)出IGS文件,并將其導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成K文件,再導(dǎo)入到LS-PrePost后處理器中進(jìn)行后處理設(shè)置,其中包括定義有限元模型如下多項(xiàng)工作:材料類型、單元類型、沙漏能、PART、接觸方式、施加載荷、邊界條件設(shè)置、輸出步長與數(shù)據(jù)輸出頻率,保存K文件,并導(dǎo)入到manager軟件中進(jìn)行計(jì)算。

2.2 機(jī)械手抓取易碎件的有限元模型構(gòu)建

典型機(jī)械手氣缸連接結(jié)構(gòu)如圖3所示,由氣缸-活塞桿組成機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng),氣缸輸出的直線伸縮運(yùn)動經(jīng)過手指根(氣缸接頭)、手指節(jié)(連桿)、手指體的傳遞后轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的張開與收縮動作,以此來實(shí)現(xiàn)易碎件的抓取和放置作業(yè)。

圖3 機(jī)械手氣缸連接結(jié)構(gòu)

基于SolidWorks、HyperMesh、LS-PrePost集成建模,建立的內(nèi)撐式抓取機(jī)械手指沖擊易碎件的有限元模型如圖4所示。其中內(nèi)撐式機(jī)械手采用剛性手指與軟性手指結(jié)合的幾何結(jié)構(gòu),并與易碎件形成剛-柔-脆介質(zhì)傳遞模型,機(jī)械手指體材料為鋁合金,機(jī)械手指表面覆蓋有橡膠墊,且橡膠墊粘合在機(jī)械手指表面。

圖4 機(jī)械手指沖擊易碎件的有限元模型

2.3 脆性材料力學(xué)性能

一般而言,脆性材料的抗壓能力很強(qiáng),但其抗拉伸能力很弱,由于從自由表面反射的壓縮波而產(chǎn)生的拉伸波會導(dǎo)致大量碎片產(chǎn)生[17],故脆性材料的抗壓和剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其抗拉強(qiáng)度。最大拉應(yīng)力理論(第一強(qiáng)度理論)指出,引起受拉脆性材料斷裂的主要原因是最大拉應(yīng)力,無論處于何種應(yīng)力情況,最大拉應(yīng)力達(dá)到某一極限值時材料就會發(fā)生斷裂。即單向拉伸應(yīng)力σ1達(dá)到單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的極限強(qiáng)度σb時會發(fā)生斷裂情況,斷裂條件為:最大拉應(yīng)力強(qiáng)度σmax大于極限強(qiáng)度(即σ1=σmax≥σb)。

沖擊應(yīng)力是瞬間產(chǎn)生的。材料受到?jīng)_擊下,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度時即可對材料造成損傷,即當(dāng)σ1=σb時,以此為臨界點(diǎn),求出臨界沖擊應(yīng)力。在本課題的研究中,以此為評價(jià)準(zhǔn)則。

3 內(nèi)撐式機(jī)械手指抓取易碎件作業(yè)碰撞仿真分析

為了研究剛-柔-脆介質(zhì)間的接觸碰撞過程,以及手指系統(tǒng)采用不同參數(shù)時與易碎件接觸的應(yīng)力變化,本研究選用玻璃這種常見的脆性材料為代表進(jìn)行仿真。內(nèi)撐式機(jī)械手的待抓易碎件為玻璃環(huán),內(nèi)半徑為27.75 mm,外半徑為30.75 mm,環(huán)的深度為35 mm。模型的基本參數(shù)如下:機(jī)械手指抓取沖擊的基本速度為1 mm/ms,機(jī)械手指指端覆蓋的橡膠厚度為1 mm,機(jī)械手指上表面與易碎件上表面的位置齊平,手指與環(huán)邊的初始距離為3 mm。相關(guān)材料參數(shù)[18-20]如表1和表2所示。

表1 玻璃的材料參數(shù)

表2 手指體及手指墊材料參數(shù)

仿真分析中,筆者分別研究了沖擊速度、易碎件厚度、施加加速度大小對易碎件所受應(yīng)力大小的影響,進(jìn)而獲得了優(yōu)選的機(jī)械手作業(yè)參數(shù)。

3.1 沖擊速度的變化

對于由基本參數(shù)建立的有限元模型,選擇改變沖擊速度形成第1組(1～5號)有限元模型,選擇沖擊速度分別為0.5 mm/ms、1 mm/ms、1.5 mm/ms、2 mm/ms、2.5 mm/ms。圖5為五個模型在碰撞過程的應(yīng)力云圖,其中,X軸正方向?yàn)槭种缸ト_擊垂直于工件表面的方向,Y軸正方向?yàn)檠毓ぜ獗砻嫦蛏系姆较?。該組工件所受的最大主應(yīng)力(principal-max)以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力如表3所示。上述應(yīng)力的變化曲線見圖6。顯然沖擊速度與最大應(yīng)力的變化成正相關(guān)關(guān)系。但應(yīng)力的增長比例關(guān)系不同于沖擊速度的增長比例關(guān)系。在沖擊速度從0.5 mm/ms增大到2.5 mm/ms的過程中,沖擊速度增大為原來的5倍,但最大主應(yīng)力以及X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力只增大為原來的3～4倍。

表3 工件在不同速度下的應(yīng)力

圖6 沖擊速度變化下的易碎件最大應(yīng)力變化圖

3.2 工件壁厚的變化

選取易碎件壁厚的變化形成第2組有限元模型,壁厚依次取0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm。速度選擇1 mm/ms時,易碎件所受的最大主應(yīng)力以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力如表4所示,顯然,隨著易碎件厚度的增大,應(yīng)力將逐漸減小。工件所受的最大主應(yīng)力以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力變化如圖7所示。

表4 工件在不同壁厚下的應(yīng)力

圖7 工件壁厚變化下的易碎件最大應(yīng)力變化圖

圖7中,最大主應(yīng)力以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力的曲線變化趨勢相類似,但最大主應(yīng)力和Y方向上的最大應(yīng)力變化較X、XY方向上的最大應(yīng)力變化明顯。在較小壁厚0.5～1.0 mm階段,應(yīng)力急劇減小,最大主應(yīng)力和Y方向上的最大應(yīng)力減小約9.1 MPa,X、XY方向上的最大應(yīng)力減小約5.3 MPa。在較大壁厚1.0～2.5 mm階段,應(yīng)力緩慢減小,其中最大主應(yīng)力和Y方向最大應(yīng)力減小約4.6 MPa,X、XY方向最大應(yīng)力減小約1.9 MPa,壁厚平均每增大0.5 mm,對應(yīng)最大主應(yīng)力、Y方向最大應(yīng)力減小1.5 MPa,X、XY方向最大應(yīng)力減小0.7 MPa;壁厚0.5～1.0 mm的應(yīng)力變化是壁厚1.0～2.5 mm應(yīng)力變化的6～7倍。顯然,易碎件壁厚的變化對碰撞接觸應(yīng)力非常敏感。

3.3 沖擊加速度的變化

選擇機(jī)械手抓取沖擊的加速度變化形成第3組有限元模型,機(jī)械手以1 mm/ms的速度碰撞易碎件,在碰撞瞬間施加的加速度分別為0.5 mm/ms2、1 mm/ms2、1.5 mm/ms2、2 mm/ms2、2.5 mm/ms2。此狀態(tài)下,所受的最大主應(yīng)力以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力如表5所示。隨著機(jī)械手指加速度的遞增,作用于薄壁易碎件的沖擊應(yīng)力增大,對應(yīng)的有限元仿真分析應(yīng)力變化如圖8所示。

表5 工件在不同加速度下的應(yīng)力

圖8 加速度變化下的易碎件應(yīng)力變化圖

圖8中,最大主應(yīng)力以及在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力的曲線變化趨勢類似,但是,在1.0～2.5 mm/ms2區(qū)間,最大主應(yīng)力和Y、XY方向上的最大應(yīng)力曲線較X方向上的最大應(yīng)力曲線變化明顯。在較低加速度0.5～1.0 mm/ms2階段,應(yīng)力增大較為平緩,最大主應(yīng)力和X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力增大了2.1 MPa。在較高加速度1.0～2.5 mm/ms2階段,應(yīng)力增大較為明顯,X方向最大應(yīng)力增大了20 MPa,而最大主應(yīng)力和Y、XY方向上的最大應(yīng)力增大了約49 MPa,加速度平均每增大0.5 mm/ms2,對應(yīng)X方向最大應(yīng)力增大6.7 MPa,而最大主應(yīng)力和Y、XY方向上的最大應(yīng)力增大16.3 MPa。顯然,加速度在1.0～2.5 mm/ms2區(qū)間時,最大主應(yīng)力和Y、XY方向上的最大應(yīng)力變化是0.5～1.0 mm/ms2區(qū)間對應(yīng)最大應(yīng)力變化的8～9倍。

3.4 仿真結(jié)果的討論

對于普通玻璃,其失效應(yīng)力在10～90 MPa之間變化,當(dāng)失效應(yīng)力約為70 MPa、最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.01時,其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相仿[21]。通過對機(jī)械手抓取過程中的沖擊速度、沖擊加速度、易碎件厚度進(jìn)行改變并分析,可得出以下結(jié)論:

由于玻璃易碎件的抗拉能力較差,因此它對拉應(yīng)力較為敏感,在同等的抓取條件下,速度的改變對抓取可靠性的影響最大,這是因?yàn)樗俣鹊母淖儗_量的影響較大,在碰撞瞬間沖擊力也會顯著增大,從而會降低抓取的可靠性。

根據(jù)實(shí)例分析結(jié)果,當(dāng)易碎件壁厚為2 mm、作業(yè)沖擊速度大于4.5 mm/ms時,應(yīng)力會急劇增大,應(yīng)力明顯超過70 MPa,工件發(fā)生破壞;當(dāng)壁厚為0.25 mm、作業(yè)沖擊速度為1.5 mm/ms時,工件受到破壞,破壞時最大應(yīng)力約為76 MPa;當(dāng)工件壁厚為2 mm、作業(yè)沖擊速度為1 mm/ms時,沖擊瞬間加速度達(dá)到3 mm/ms2,應(yīng)力約為72 MPa,使得薄壁易碎件碎裂。為防止玻璃環(huán)發(fā)生破壞,當(dāng)壁厚為2 mm時,機(jī)械手速度應(yīng)小于4 mm/ms;當(dāng)壁厚為0.25 mm時,機(jī)械手速度應(yīng)小于1 mm/ms;當(dāng)壁厚為2 mm、作業(yè)沖擊速度為1 mm/ms時,加速度應(yīng)低于2.5 mm/ms2。

4 Kriging代理模型的構(gòu)建與應(yīng)力預(yù)測

由于有限元模型設(shè)計(jì)復(fù)雜且仿真運(yùn)行時間較長,為根據(jù)已有的計(jì)算結(jié)果評估在相近參數(shù)作業(yè)下的機(jī)械手抓取接觸應(yīng)力,本文建立了Kriging預(yù)測模型。為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化,采用圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)設(shè)計(jì),其流程如圖9所示。

圖9 Kriging預(yù)測模型及GUI界面設(shè)計(jì)流程圖

Kriging插值方法是一種能夠?qū)τ邢迏^(qū)域內(nèi)進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的空間局部內(nèi)插法[22]。該方法以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為計(jì)算點(diǎn),對取值數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)插值的權(quán)值設(shè)計(jì),是一種精確的插值方法,具有預(yù)測精度高、耗時少的特點(diǎn)[23]。

對于給定m個包含壁厚、速度的樣本點(diǎn)S=[s1s2…sm]T,其輸出響應(yīng)principal-max、X-max、Y-max、XY-max等應(yīng)力可表示為Y=[y1y2…ym]T。對上述數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理,即

(1)

其中,S:,j、Y:,j分別為給定樣本點(diǎn)矩陣S、Y中的第j個列向量;μ[·]、V[·,·]分別為均值和協(xié)方差;n、q分別為輸入樣本矩陣和輸出樣本矩陣中的列數(shù)。

對于Kriging模型選定的樣本點(diǎn)x,其對應(yīng)的應(yīng)力預(yù)測函數(shù)響應(yīng)值定義為y(x),其一般表達(dá)式可記為

(2)

假設(shè)隨機(jī)過程z(x)的均值為0,則協(xié)方差為

Cov(z(xi),z(xj))=σ2R(xi,xj,θ)

(3)

其中,σ2為系統(tǒng)響應(yīng)隨機(jī)過程z(x)的方差;xi、xj為樣本點(diǎn);R(xi,xj,θ)表示帶有參數(shù)θ的相關(guān)模型,通過優(yōu)化θ,該模型能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)樣本點(diǎn)之間的空間相關(guān)性,其相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下:

(4)

本文通過最大似然估計(jì)法得到參數(shù)θ的估計(jì)值,其表達(dá)式如下:

(5)

其中,|R|是R的行列式。

本文研究的機(jī)械手沖擊仿真實(shí)驗(yàn)以壁厚和速度為自變量,其中壁厚區(qū)間為0.25～2.50 mm,速度區(qū)間為0.5～4.5 mm/ms,將不同速度、壁厚的樣本點(diǎn)寫入樣本矩陣S。應(yīng)力為輸出變量,應(yīng)力包括最大主應(yīng)力和在X、Y、XY方向上的最大應(yīng)力,將多種應(yīng)力寫入樣本矩陣Y。Kriging代理模型的回歸模型用零階多項(xiàng)式表達(dá)。相關(guān)函數(shù)采用高斯函數(shù)。

Kriging模型建立在一定數(shù)量樣本點(diǎn)的基礎(chǔ)上。樣本點(diǎn)的選取關(guān)乎Kriging預(yù)測模型的準(zhǔn)確與否,本文采用矩形網(wǎng)格設(shè)計(jì)。選用的壁厚、速度是均勻分布的樣本點(diǎn),能最有效地控制或降低計(jì)算預(yù)測的統(tǒng)計(jì)不確定性,提高預(yù)測模型的可靠性。針對多種基于代理模型的加點(diǎn)準(zhǔn)則,本文選取均方誤差準(zhǔn)則[24],可以找出樣本誤差期望值最大的點(diǎn),從而快速地提高全局精度。初始的代理模型成功后,可以發(fā)現(xiàn)在樣本點(diǎn)(2.5,3.5)、(1,3)處的應(yīng)力預(yù)測誤差較大,運(yùn)用SolidWorks、Hyper-Mesh、LS-PrePost等軟件進(jìn)行集成建模,得到仿真分析結(jié)果。并將壁厚、速度、仿真結(jié)果寫入樣本矩陣S、Y,從而添加新的樣本點(diǎn),以提高預(yù)測模型的擬合程度。

利用MATLAB軟件DACE工具箱,設(shè)置以壁厚、速度為X、Y坐標(biāo),以應(yīng)力為Z坐標(biāo),通過編程調(diào)用工具箱中的函數(shù)指令,計(jì)算得到的在不同壁厚,速度條件下應(yīng)力大小的預(yù)測模型,如圖10所示,可以看出,當(dāng)壁厚在0.5～2.5 mm、速度在0.5～4.0 mm/ms時,應(yīng)力變化較小,并且隨速度增大、壁厚的減小,應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢。但是,當(dāng)壁厚小于0.5 mm、速度超過4 mm/ms時,應(yīng)力會急劇增大,直至破壞。為防止易碎件破壞,機(jī)械手速度應(yīng)小于4 mm/ms,壁厚應(yīng)大于0.5 mm。

(a)principal-max應(yīng)力圖 (b)X-max應(yīng)力圖

為使應(yīng)力結(jié)果可視化,運(yùn)用MATLAB下的子模塊GUI進(jìn)行研究,并設(shè)計(jì)Kriging預(yù)測模型的GUI界面。運(yùn)行程序彈出GUI設(shè)計(jì)界面,通過輸入壁厚、速度參數(shù),即可輸出Max應(yīng)力圖形與相應(yīng)的應(yīng)力值,方便設(shè)計(jì)人員對機(jī)械手作業(yè)參數(shù)進(jìn)行評估與優(yōu)化。在系統(tǒng)的界面設(shè)置許用應(yīng)力值,當(dāng)評估的最大應(yīng)力值達(dá)到或超過許用應(yīng)力值時,將給出系統(tǒng)提示,如圖11所示。

(a)principal-max應(yīng)力GUI界面 (b)X-max應(yīng)力GUI界面

5 薄壁工件內(nèi)撐式上料機(jī)械手樣機(jī)抓取實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)械手抓取不同厚度易碎工件的可靠性以及得到手指抓取過程的沖擊受力,根據(jù)設(shè)計(jì)的手指結(jié)構(gòu),搭建內(nèi)撐式機(jī)械手樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖12所示。

圖12 機(jī)械手樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

機(jī)械手的手指體材料為鋁合金,手指墊材料為橡膠,工件材質(zhì)為石英玻璃,相關(guān)參數(shù)見表1和表2。實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)工件的厚度分別取1.5 mm、1 mm、0.8 mm。圖13給出了厚度為1 mm的工件實(shí)樣及測試應(yīng)變片粘貼位置。

圖13 不同壁厚的薄壁玻璃環(huán)及應(yīng)變片粘貼

為了測試機(jī)械手抓取工件的沖擊速度,采用OLYMPUS高速攝像機(jī)對機(jī)械手抓取工件的過程進(jìn)行抓拍。高速攝像機(jī)的拍攝幀頻設(shè)置為每秒500幀,可以得到機(jī)械手指在對應(yīng)時刻下的位置圖片。對抓拍的圖片進(jìn)行整合處理,可得到機(jī)械手指抓取時刻下的位移-時刻圖像,從而得到機(jī)械手指抓取運(yùn)動的速度與加速度。圖14為高速攝像機(jī)抓拍到的機(jī)械手指不同位置-時刻圖像。

圖14 不同位置-時刻圖像

機(jī)械手指的運(yùn)動由氣缸運(yùn)動驅(qū)動。在機(jī)械手樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,通過安裝精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣缸的進(jìn)出壓力即可控制機(jī)械手指的運(yùn)動速度,然后利用高速攝像機(jī)捕捉機(jī)械手指運(yùn)動時的圖像即可計(jì)算出機(jī)械手指抓取運(yùn)動的速度和加速度。在機(jī)械手指抓取工件前,通過實(shí)驗(yàn)測定了系統(tǒng)壓力以及機(jī)械手指的運(yùn)動速度、加速度的對應(yīng)關(guān)系與控制參數(shù)。

對于易碎件應(yīng)力的測量,采用在工件表面粘貼應(yīng)變片測量。實(shí)驗(yàn)中采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)有6個通道,每個通道有10個采集點(diǎn),采樣速度可達(dá)到每秒60點(diǎn),最高分辨力可達(dá)到1 με。在操作系統(tǒng)中輸入玻璃的彈性模量,即可顯示出工件玻璃環(huán)對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)中,采用機(jī)械手抓取1.5 mm、1 mm和0.8 mm厚的薄壁玻璃圓環(huán),將應(yīng)變片粘貼在薄壁環(huán)被機(jī)械手指抓取位置的背面。打開氣動電磁閥的開關(guān)使機(jī)械手運(yùn)動抓取薄壁環(huán),利用靜態(tài)應(yīng)變測量儀的連續(xù)采集功能在持續(xù)采集數(shù)據(jù)模式下記錄系統(tǒng)采集到的薄壁環(huán)表面的應(yīng)力。

依據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械手樣機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù),實(shí)驗(yàn)選擇的參數(shù)如表6所示,其中,墊厚(手指墊厚度)1、2、3分別為2 mm、1.5 mm和1 mm,壁厚(工件厚度)1、2、3分別為1.5 mm、1 mm、0.8 mm,位置(機(jī)械手爪抓取工件時,與工件的作用位置)1、2分別表示齊平10 mm和內(nèi)降10 mm,速度(機(jī)械手指抓取工件的沖擊速度)1、2、3分別為0.16 mm/ms、0.13 mm/ms和0.1 mm/ms。

表6 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

依據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇的參數(shù),分別進(jìn)行了仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試,對機(jī)械手碰撞實(shí)驗(yàn)測試應(yīng)力結(jié)果的最大值進(jìn)行平均處理,并且選擇接觸碰撞仿真計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)的最大值,如圖15所示。

(a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖15中可以看出,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致,但是其應(yīng)力值相差過大。進(jìn)一步分析可知,在仿真計(jì)算中,采用的是單個機(jī)械手指進(jìn)行抓取作業(yè)。而在實(shí)驗(yàn)中,利用單個機(jī)械手指很難實(shí)施對工件抓取。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,采用了三爪機(jī)械手進(jìn)行抓取作業(yè)。

為研究機(jī)械手采用三指實(shí)際抓取與采用單指仿真抓取的應(yīng)力關(guān)系,建立了相關(guān)模型進(jìn)行研究。假設(shè)圓環(huán)的應(yīng)變是均勻的,且每個單元受到的力均為F,面積為ΔA,機(jī)械手布置及受力如圖16所示。

圖16 機(jī)械手三爪布置及受力

當(dāng)機(jī)械手選用一個手指時,手指的布置如圖16的左側(cè)所示,用α表示受力點(diǎn)位置的角度,則Y方向上的應(yīng)力可表示為

(6)

當(dāng)機(jī)械手采用三個手指時,其他2個手指的布置如圖16的右側(cè)所示,用φ表示受力點(diǎn)位置的角度,則Y方向上的應(yīng)力可表示為

(7)

單指機(jī)械手與三指機(jī)械手的抓取應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(8)

依據(jù)上述關(guān)系對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行變換:將采用單指抓取仿真獲得的應(yīng)力值乘以5.7即可得到三指抓取對應(yīng)的仿真應(yīng)力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與變換后的仿真數(shù)據(jù)如圖17所示,顯然可見兩者數(shù)據(jù)相近。

圖17 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與變換后的仿真數(shù)據(jù)對比

對比序號1、2、3可以得出工件應(yīng)力隨壁厚變化的規(guī)律,對比序號1、4、5可以得到工件應(yīng)力隨著手指墊厚度的變化,對比序號1、6、7可以得到機(jī)械手運(yùn)動速度對工件應(yīng)力的影響,對比序號1、8可以得到碰撞位置對工件應(yīng)力的影響。分析圖17不難發(fā)現(xiàn),工件壁厚和手指墊厚度對工件的影響較大,而其他因素對工件的影響相對較小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該機(jī)械手可以完成不同厚度易碎工件的可靠抓取,工件表面沒有破損情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合。

6 結(jié)語

通過建立薄壁易碎件內(nèi)撐式上料機(jī)械手抓取作業(yè)過程的有限元模型,對機(jī)械手指與易碎件之間的碰撞過程進(jìn)行仿真分析,研究了機(jī)械手作業(yè)過程中不同的抓取沖擊速度、工件壁厚、抓取加速度等因素對工件內(nèi)力的影響規(guī)律。并通過建立Kriging代理模型,計(jì)算得到在不同壁厚、抓取速度條件下接觸應(yīng)力的預(yù)測值,研究過程為改良手指結(jié)構(gòu)及確定作業(yè)過程參數(shù)建立了基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)也得到了驗(yàn)證。

在后續(xù)的研究中,筆者將進(jìn)一步研究機(jī)械手構(gòu)型、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對接觸碰撞應(yīng)力的影響。并進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件,對相關(guān)理論分析結(jié)果進(jìn)行更精細(xì)的驗(yàn)證研究。