工業(yè)機(jī)器人碼垛手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 勇，陸宗學(xué)，卞紹順

（連云港杰瑞模具技術(shù)有限公司，江蘇連云港 222006）

工業(yè)機(jī)器人碼垛手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 勇，陸宗學(xué)，卞紹順

（連云港杰瑞模具技術(shù)有限公司，江蘇連云港 222006）

介紹了一種適用于大尺寸料袋的機(jī)器人氣動(dòng)手爪。為了提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，首先在Solidworks中建立三維模型，并采用有限元仿真插件simulation進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果和實(shí)際操作表明，該手爪結(jié)構(gòu)可靠合理，滿足了生產(chǎn)需求。

機(jī)器人；手爪；Solidworks；仿真

機(jī)器人的應(yīng)用普及，提高了生產(chǎn)效率，而且對(duì)保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度及降低成本具有十分重要的意義。機(jī)器人動(dòng)作實(shí)現(xiàn)由機(jī)器人本體和末端執(zhí)行器共同完成。機(jī)器人本體及相關(guān)控制已經(jīng)規(guī)?；?，而末端執(zhí)行器由于完成任務(wù)的不同，呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)。

1 機(jī)器人末端執(zhí)行器簡(jiǎn)介

末端執(zhí)行器也叫機(jī)器人的手部，它是安裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。包括從氣動(dòng)手爪之類的工業(yè)裝置到弧焊和噴涂等應(yīng)用的特殊工具。由于機(jī)器人的多方面應(yīng)用，末端執(zhí)行器通常針對(duì)某一特殊場(chǎng)合進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。它的設(shè)計(jì)依據(jù)工件的特定參數(shù)和工作空間的環(huán)境，同時(shí)還需要考慮自身的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的技術(shù)條件，確保機(jī)器人操作時(shí)安全可靠。機(jī)器人末端執(zhí)行器大致分為以下幾類：夾鉗式取料手；吸附式取料手；仿生多指靈巧手[1]。本文論述的是碼頭料袋碼垛抓手，目的工件具有體積大、重量大的特點(diǎn)。

2 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 碼垛手爪的設(shè)計(jì)要素

機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素，具體如下。

（1）手爪工作目標(biāo)的重量、大小及材質(zhì)

對(duì)于不同對(duì)象的工件選擇不同的手爪，如板料類工件可采用真空吸附式；對(duì)于導(dǎo)磁性介質(zhì)可采用磁力吸盤；對(duì)于PVC料袋等采用夾鉗式。

（2）機(jī)器人機(jī)型的選擇

機(jī)器人最大負(fù)載能力和工作半徑，機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，機(jī)器人的價(jià)格。

（3）手爪的經(jīng)濟(jì)工作方式

采用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等作為動(dòng)力來(lái)源，涉及的結(jié)構(gòu)及其制造、使用和維護(hù)成本不一樣，利用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可提供的動(dòng)力能夠降低制造成本。

（4）手爪前端送料的輸送帶的結(jié)構(gòu)

對(duì)于料袋抓取的輥?zhàn)虞斔蛶б话阌袊?guó)標(biāo)，需要采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，而對(duì)于皮帶輸送帶，就要考慮怎樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（5）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)末端工件放置的空間布局。

2.2 基于Solidworks的抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本例設(shè)計(jì)抓手所抓取的工件為麻袋，成型尺寸為880 mm×700 mm×250 mm（長(zhǎng)×寬×高），重量為80 kg，輸送帶末端承接檢測(cè)臺(tái)為輥?zhàn)虞斔蛶?，輥?zhàn)娱g距為80 mm，現(xiàn)場(chǎng)有壓縮空氣提供，根據(jù)以上信息決定采用夾鉗式結(jié)構(gòu)。抓手主要功能為抓緊時(shí)氣缸推動(dòng)擺抓，抓住料袋，隨后壓緊氣缸推動(dòng)壓板，將料袋壓緊放置搬運(yùn)過(guò)程中甩出；放料時(shí)壓緊氣缸松開，抓緊氣缸推動(dòng)擺抓，將料袋放下。

Solidworks軟件功能全面，簡(jiǎn)單易用，本案例利 用 Solid?works進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如下：先繪制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，保證設(shè)計(jì)的主要尺寸能夠完成動(dòng)作要領(lǐng)，然后在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的零件設(shè)計(jì)和虛擬裝配。三維圖如圖1所示。

圖1 碼垛手爪

3 手爪的仿真分析

Solidworks Simulation是一款基于有限元（即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，對(duì)Solidworks的零件和裝配體的幾何模型、載荷和支撐進(jìn)行離散化處理后，將幾何模型劃分成有限單元的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行求解[2-3]。手爪與料袋的直接接觸面為齒部，齒部受力后容易向下產(chǎn)生撓度，首先分析其強(qiáng)度。齒部采用25×18扁鋼成型，為了降低自重，對(duì)其背部進(jìn)行去除部分材料。經(jīng)過(guò)在靜態(tài)情況下對(duì)固定面和受力面進(jìn)行限定后，求解如下。

如圖2所示，應(yīng)力圖以齒部和擺動(dòng)部分的連接面為固定面，載荷為90 N的均布力作用在齒面上形成，最大應(yīng)力值為3.635×107N/m2，材料屈服強(qiáng)度為最大應(yīng)力值為2.2×108N/m2，符合設(shè)計(jì)要求。

如圖3所示，齒部最大位移為0.8 mm，該變形形成基于材料的彈性變形小變形階段，當(dāng)失去負(fù)載時(shí)，能夠恢復(fù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

如圖4所示，齒部最大應(yīng)變?yōu)?.001 mm，較零件長(zhǎng)度幾乎可以忽略。

綜合以上模擬，爪部設(shè)計(jì)可靠，能夠滿足使用需求。

圖2 齒部應(yīng)力圖

圖3 齒部位移圖

圖4 齒部應(yīng)變圖

4 結(jié)論

應(yīng)用Solidworks及其仿真插件Solidworks Simu?lation進(jìn)行機(jī)器人碼垛手爪設(shè)計(jì)和仿真，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，利用軟件分析實(shí)現(xiàn)了零件的輕量化設(shè)計(jì)，降低了自重，為機(jī)器人選型提供了可靠的保證。本例進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了良好的效果。

［1］蔣剛，龔迪琛，蔡勇，等.工業(yè)機(jī)器人［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

［2］張奔，卞新高，朱燈林.用于抗洪打樁的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2012（11）：1259-1263.

［3］陳超詳，葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

The Structure Design of Robot Hand for Handing

LIU Yong，LU Zong-xue，BIAN Shao-shun
（Lianyungang JARI Extrusion Mould Technology Co.，Ltd，Lianyungang222006，China）

Introduced one kind of robot hand for handing which suits for big and heavyweight bag.In order to improve design efficiency and reliability，three-dimensional model was created by the software of Solidworks，and simulated by Solidworks Simulation.The results showed that the hand is reasonable and can satisfy the requirement of production.

robot；hand；Solidworks；simulation

TP242

A

1009－9492(2014)02－0044－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.013

劉 勇，男，1984年生，湖北宜昌人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。

(編輯：向 飛)

2013－08－28