王春榮，夏爾冬，黃仕鑒，何天仁，王義惠

（1.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000；2.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

鋼筋是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要材料，在鋼筋的使用或加工過程中，需要對鋼筋進(jìn)行切斷，以滿足使用需求，例如，鋼筋生產(chǎn)過程中鋼筋的首位兩端具有一定的變形，需對其進(jìn)行剪切；或?qū)ζ涠ㄩL剪切?，F(xiàn)有的鋼筋剪斷裝置，不能同時實現(xiàn)抓取與剪切的功能，常見的操作主要是通過人工抓取，然后根據(jù)所需的長度進(jìn)行剪切，這樣的操作煩瑣、效率低下，且存在一定的安全隱患。因此，本文設(shè)計了一種具有抓取與剪切功能為一體的新型末端執(zhí)行器，能快速地完成單一的抓取任務(wù)、剪切任務(wù)以及抓取與剪切同時完成的任務(wù)，提高了作業(yè)效率。同時對所設(shè)計的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，所設(shè)計的末端執(zhí)行器合理，具有一定的應(yīng)用前景。

1 抓剪末端執(zhí)行器的設(shè)計

1.1 末端執(zhí)行器大臂設(shè)計

末端執(zhí)行器大臂包括受力板、大臂支架、液壓缸、活塞桿、滾動軸承、銷軸。受力板與底座的轉(zhuǎn)動軸承固定連接，轉(zhuǎn)動軸承帶動受力板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。受力板和大臂支架用銷軸進(jìn)行連接，銷軸與大臂支架側(cè)邊裝配上滾動軸承，液壓缸底部連接在受力板側(cè)邊的。活塞桿一端連接著液壓缸，一端連接著主體支架并且與銷軸和滾動軸承配合，如圖1 所示。

圖1 大臂三維模型

采用活塞桿與轉(zhuǎn)動銷軸、滾動軸承的連接方式，使得大臂在承受承載力的同時，依然保持一定的自由度，能夠在一定范圍內(nèi)能夠進(jìn)行俯仰運(yùn)動。當(dāng)液壓缸內(nèi)的液體推動活塞桿向上運(yùn)動時，手臂支架呈現(xiàn)仰起運(yùn)動；當(dāng)液壓缸內(nèi)的液體推動活塞桿向下運(yùn)動時，手臂支架呈現(xiàn)俯向運(yùn)動。

1.2 末端執(zhí)行器小臂設(shè)計

末端執(zhí)行器小臂由兩個液壓缸、兩個活塞桿、小臂支架組成。一對液壓缸、活塞桿連接大臂支架，另外一對液壓缸、活塞桿連接著手腕支架。小臂是承擔(dān)連接大臂與末端抓取部件的作用，兩對液壓缸、活塞桿的往復(fù)運(yùn)動可以改變小臂以及末端抓取部件的俯仰方向，如圖2 所示。

圖2 小臂三維模型

1.3 末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計

抓取機(jī)構(gòu)是抓剪末端執(zhí)行器的核心部件，將末端執(zhí)行器與機(jī)械臂對接時，通過機(jī)械臂將末端執(zhí)行器的抓取、剪切部分移動到指定位置后對鋼筋進(jìn)行抓取與剪切。抓剪末端執(zhí)行器的抓取方式采用雙液壓缸控制的驅(qū)動方式進(jìn)行抓取。夾取部件包括夾爪和夾緊塊、液壓缸、液壓活塞桿、油缸活塞蓋、銷軸、銷釘套、銷釘截套、主體支架組成。抓取部件以主體支架為中心，采用銷軸分別將左右夾爪與主體支架連接，使夾爪保留一定范圍內(nèi)的自由度，可以讓夾爪以銷軸為中心進(jìn)行一定角度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在抓取和裝夾過程中，為了防止鋼筋等滑脫，在夾爪的中間增加了夾緊塊設(shè)計，增大了鋼筋與夾爪之間的阻力。

抓取機(jī)構(gòu)通過液壓缸提供源動力，抓取機(jī)構(gòu)爪部的張開、閉合動作都是由液壓缸中的液體推動活塞桿運(yùn)動而實現(xiàn)的。抓剪末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)張開時，夾爪側(cè)邊的液壓缸推動著活塞桿向主體支架側(cè)邊的液壓缸移動；抓剪末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)閉合時，主體支架側(cè)邊的液壓缸推動著活塞向夾爪側(cè)邊的液壓移動，具體如圖3 所示。

圖3 抓取部件

1.4 末端執(zhí)行器剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計

剪切機(jī)構(gòu)是抓剪末端執(zhí)行器對鋼筋進(jìn)行抓取和裝夾之后的操作的執(zhí)行部件，是能夠?qū)摻钸M(jìn)行剪切、剪斷的執(zhí)行部件，其主要由剪刃、連桿機(jī)構(gòu)和液壓缸等部件構(gòu)成，如圖4 所示。

圖4 剪切機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計的末端執(zhí)行器整體三維圖如圖5 所示，其具有抓取與剪切兩種功能。當(dāng)末端執(zhí)行器只完成抓取鋼筋任務(wù)時，可通過控制剪切機(jī)構(gòu)張開，然后利用抓取機(jī)構(gòu)完成抓取任務(wù)；當(dāng)末端執(zhí)行器要完成剪切任務(wù)時，可通過控制抓取機(jī)構(gòu)張開，然后利用剪切機(jī)構(gòu)完成剪切任務(wù)；此外，末端執(zhí)行器可通過夾取機(jī)構(gòu)夾取較長的鋼筋，并完成部分剪斷任務(wù)。

圖5 末端執(zhí)行器整體三維圖

2 抓關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析

剪刃是末端執(zhí)行器受力最大的零部件，因此有必要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗證設(shè)計的合理性。本文利用SolidWorks 的靜力學(xué)分析插件對其進(jìn)行受力分析，定義材料為結(jié)構(gòu)鋼，其泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為620MPa。根據(jù)實際工況要求，令剪刃口受力為5KN，對其進(jìn)行受力分析，得到的最大等效應(yīng)力云圖與最小安全系數(shù)如圖6 所示。

圖6 最大等效應(yīng)力與安全系數(shù)原圖

從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，剪刃執(zhí)行剪切任務(wù)時受到的最大等效應(yīng)力為451.7MPa，最小安全系數(shù)為1.373，最大等效應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，最小安全系數(shù)大于1，即表明本文設(shè)計的剪刃是合理的。

3 結(jié)語

鋼筋是基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的重要材料，其在使用時常常需要抓取與剪切。本文設(shè)計了一種可以完成抓取、剪切以及抓剪一體的新型末端執(zhí)行器，其主要包括大臂、小臂、抓取機(jī)構(gòu)以及剪切機(jī)構(gòu)等，并分析了其執(zhí)行抓剪任務(wù)時的工作原理。通過SolidWorks 軟件的靜力學(xué)插件對其剪刃進(jìn)行了靜力學(xué)分析，驗證了設(shè)計的合理性。本文的設(shè)計可提高鋼筋的抓剪效率，節(jié)約了勞動成本，具有較好的應(yīng)用價值。