夾緊機械手的設計與優(yōu)化

信義兵，高躍飛，劉海濤

（中北大學 機電工程學院，太原 030051）

0 引言

夾緊機械手是在夾具設計、機床、煤礦機械領域中應用比較多的一種機構[1]。它作為直接的執(zhí)行機構，本身的形狀、重量對整個系統(tǒng)的性能有著直接的影響。傳統(tǒng)設計方法往往受經驗的影響比較大，而且設計結果與實際情況有很大出入，費時費力，本文針對目前夾緊結構設計中難于同時保證重量輕且剛度高的問題，提出了應用現(xiàn)代設計方法對機械手結構進行優(yōu)化的方案。首先通過UG對夾緊機械手進行虛擬建模，并以ANSYS Workbench軟件作為分析平臺，對機械手結構進行靜力學分析以及拓撲優(yōu)化，找出結構的薄弱部位和設計缺陷，并對原有結構加以改進，得出了較為滿意的設計結果，不僅降低了產品的開發(fā)費用，而且大大提高了產品設計的效率和品質。

1 夾緊機械手設計與受力分析

1.1 夾緊機械手力學分析

圖1中，連桿3分別通過圓柱銷與夾緊手指4和活塞桿1相連，形成O、O1、O2、O3四個回轉支撐點，通過活塞桿1的上下運動帶動連桿以及夾緊手指實現(xiàn)對工件5的夾緊與松開。活塞桿的驅動力F來自于液壓缸的作用力。夾緊力FN與驅動力F的比值稱為增力比，增力比的大小是衡量夾緊機構的一項重要的指標，在夾緊力不變的情況下，增力比越大，驅動力越小，機械效率也就越高。當圖中時0≈α，機構處于自鎖位置，此時如果活塞桿繼續(xù)向下運動，反而會使夾緊手指松開，所以當夾取不同規(guī)格的工件時，需要更換不同的夾緊手指。

圖1 夾緊機械手結構簡圖與三維模型

所以：

工件所需夾緊力的大小可由下式計算：

其中N1為安全系數(shù)；N2為工況系數(shù)，主要考慮工件在搬運過程中加速度對夾緊機構的影響；N3為方位系數(shù)；G為工件質量（kg），本設計中取工件的質量為14kg?？紤]到夾緊力過大有可能導致工件的損壞，最終確定FN=950N。

結構參數(shù)確定后由公式可以得出驅動力F=452N?？紤]到液壓缸的傳動效率，液壓缸的實際驅動力Fsj要大于計算所得到的力F，即，η傳取0.85，故Fsi=532N。

1.2 夾緊液壓缸的選擇

本文選擇雙作用液壓缸作為夾緊機械手的動力源[2]，缸筒與支架固定，由活塞桿實現(xiàn)載荷的驅動。工作原理如圖2所示。

圖2 雙作用液壓缸工作原理圖

當A口進油B口出油時，活塞桿伸出；當B口進油A口出油時，活塞桿收回，從而實現(xiàn)活塞桿的正反兩個方向的運動，并帶動夾緊手指的開啟與關閉。

2 有限元模型的建立以及靜態(tài)分析

1）有限元模型的建立

ANSYS Workbench支持導入各種CAD軟件創(chuàng)建的幾何模型，本文基于UG軟件建立了夾緊機械手三維模型，并對模型進行了適當?shù)暮喕?，但建模過程中，簡化要盡可能的少，這樣才能真實地反應機構的實際情況，本文主要對液壓缸進行了適當?shù)暮喕?。然后將UG中已經建立好的三維模型導ANSYS Workbench中，分析模塊選擇“Static Structural”。

2）材料屬性

首先定義夾緊機械手零件的材料屬性。結構主要由45鋼制造，主要力學性能：彈性模量為200GPa；泊松比為0.3；密度7850kg/m3，強度極限為450MPa。

3）網格劃分

網格質量是影響計算精度的重要因素，網格的劃分也是整個有限元分析中最耗時的一個環(huán)節(jié)，由于機械手結構模型比較簡單，所以本文直接利用軟件默認的自由劃分網格的方法進行網格劃分，并通過拖動Relevance滑塊來實現(xiàn)網格的細化與粗糙。最后得出機械手的網格如圖3所示，其中單元數(shù)為22665，節(jié)點數(shù)為45830。

圖3 夾緊機械手的網格劃分結果

4）載荷的計算和約束的施加

根據夾緊機械手實際工作情況，只需在夾緊手指X方向上施加載荷大小為950N，在活塞桿的上表面施加全約束（Fixed Support）。

圖4 機械手的靜態(tài)變形圖

圖5 機械手的靜態(tài)應力圖

計算后發(fā)現(xiàn)，最大變形為0.3186mm（如圖4所示）,出現(xiàn)在夾緊手指的最底部; 機械手的最大Mises應力為123.2MPa（如圖5所示），出現(xiàn)在夾緊手指的直角處；安全系數(shù)為：n=450MPa/123.2MPa=3.65，大于強度評判標準2.5，測得機械手的重量為5.87kg，由以上數(shù)據可知機構有明顯的應力集中現(xiàn)象，所以有必要對其進行優(yōu)化設計。

3 拓撲優(yōu)化設計

拓撲優(yōu)化是的目標是尋找承受單載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設計或“最小應變能”設計[3]?；诿芏群瘮?shù)建立線彈性結構拓撲優(yōu)化設計在靜力狀態(tài)下的數(shù)學模型可以表示為：

本文設置重量減少20%為優(yōu)化目標，對夾緊機械手進行拓撲優(yōu)化，項目模塊選擇“Shape opitimization”，其余設置均與靜力學分析一樣，最后的優(yōu)化結果如圖6所示。

圖6 拓撲優(yōu)化結果圖

圖7 改進后機械手三維模型

箭頭所指的深色部分即為可以切除的部分，其余為保留的部分。由于拓撲優(yōu)化后的模型的形狀不規(guī)則，考慮到夾緊機械手的實際工作情況，不能將深色部分全部切除，所以只對模型中部分零件進行改進，主要對活塞桿、夾緊手指、支架進行改進，改進后的模型如圖7所示。

為了直接反映原結構與改進結構的差異，再對改進后的模型進行靜力學分析，約束設置與載荷條件完全與原結構相同。圖8即為改進后機械手的靜態(tài)變形圖。

圖8 改進后機械手的靜態(tài)變形圖

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，改進后的結構總變形和等效應力均有所下降，質量滿足設計減重20%的要求，優(yōu)化取得了一定的成效。

表1 優(yōu)化結果對比

4 結束語

應用ANSYS Workbench的Shape opitimization功能模塊, 對夾緊機械手進行拓撲優(yōu)化分析，根據優(yōu)化結果，在滿足機械手整體強度指標的前提下，對機械手部分結構進行改進，減輕了其自身的質量，提高了產品設計效率[4]。

計算結果也表明采用拓撲優(yōu)化設計在提高機械手結構的整體性能方面具有積極的作用，該方法切實可行，同時也對同種零件的輕量化提供了一定參考。

[1] 席曉燕.基于ADAMS的礦用夾緊機構的優(yōu)化與動力學分析[J].煤礦機械.2014(1):62-64.

[2] 臧克江,陳晶,王躍輝,等.液壓缸[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

[3] 關英俊,辛宏偉,趙貴軍,等.空間相機主支撐結構拓撲優(yōu)化設計[J].光學精密工程.2007(8):1158-1162.

[4] 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2010:243-245.