基于八角管抓具的連接塊強度改進設計及分析

閆澤云　王國超　陳有剛

摘 要：為有效減少機器人八角管抓手EGT120型號連接塊的斷裂頻次，通過構(gòu)建連接塊三維幾何模型并采用有限元分析方法對模型進行應力分析，獲得應力的分布情況，根據(jù)應力分布情況優(yōu)化連接塊結(jié)構(gòu)并與現(xiàn)場實際測試。結(jié)果表明，優(yōu)化后的設計減少了連接塊的斷裂頻次。有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果相吻合，提高了設備開動率。

關鍵詞：抓手連接塊；有限元；八角管

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0062-02

在現(xiàn)代制造業(yè)中，用在輸送設備上的八角管抓具應用范圍廣泛。尤其是在汽車制造業(yè)中，應用很是普遍。抓具是輸送設備抓取、搬用工件的重要部件，主要是對工件進行夾持，通過電氣控制及氣路控制來實現(xiàn)抓具的加緊和釋放。八角管抓具是近年來新出現(xiàn)的一種抓具，這種抓具具有如下優(yōu)點：重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、整體結(jié)構(gòu)強度高、精度高模塊、化設計、調(diào)節(jié)更換方便、有很高的適用性、維修保養(yǎng)方便。

但是，在實際使用時，由于來料的波動以及各種因素的影響會使八角管抓具的一些連接塊周期性地受到剪切。尤其是連接定位銷與八角管之間的連接塊。導致連接塊高頻率的斷裂，為了解決這種問題，本文在不改變整個抓手結(jié)構(gòu)的條件下，通過構(gòu)建連接塊三維幾何模型并采用有限元分析方法對模型進行應力分析。優(yōu)化EGT120這種連接塊結(jié)構(gòu)設計，減少了應力集中現(xiàn)象，減少了連接塊的斷裂現(xiàn)象。

目前關于機器人抓具的相關文獻主要研究方向是抓手的設計及特殊設備抓手的受力分析，比如王鐵鋼等編寫的《碼垛機器人抓手的結(jié)構(gòu)設計及有限元分析與優(yōu)化》[1]。關于目前應用廣泛的八角管爪具的一些組成部件的受力的文獻較少，本文針對這種爪具的一個常用部件進行了受力分析，并進行了優(yōu)化。

1 定位部分EGT120的受力及斷裂原因分析

現(xiàn)在以某車間一臺抓放汽車零部件的機器人抓具定位部分為例，分析一下連接定位銷與八角管之間連接塊的結(jié)構(gòu)情況。如圖1所示。

在抓件過程中，定位銷插入工件的銷孔實現(xiàn)抓具準確的將工件抓取及釋放。因為來料問題或者精度問題導致銷子與銷孔之間存在錯位情況，一旦錯位銷子就會收到板材的作用力，如圖2。

EGT120抓手連接塊用的45號剛為保證有一定的韌性采用調(diào)制的熱處理的方法。表1為GB/T699-1999標準規(guī)定45鋼的性能參數(shù)。

對連接塊的靜強度進行校核，校核條件如下：

檢驗條件：[σ]>σmax

[σ]=σs/n=355/1.2=296MPa

其中：[σ]——材料的許用應力；

σs——材料的區(qū)服強度；

σmax——實際計算出的節(jié)點的最大應力；

n——材料的安全系數(shù)，n=（安全系數(shù)取1.2）。

根據(jù)板材上定位孔的錯位情況及抽樣測定的實驗值推斷出定位銷的受力分布在0～300N之間，對圖1的部分進行如圖3所示的簡化，由杠桿原理可得：連接塊處受最大扭矩T=F*L=120Nm，提供的反作用力F=120Nm/0.03m=4000N。

對之前的連接塊在軟件UG NX8.0用運NX NASTRAN求解器進行有限元受力分析。分析結(jié)果如圖4所示，可以看出連接塊受到的最大毀壞主應力為439MPa大于材料的許用應力[σ]=296Mpa，導致之前的連接塊出現(xiàn)圖5所示的高頻斷裂點，通過圖4與圖5對比驗證了軟件分析結(jié)果的正確性。

通過圖5可以看出舊版連接塊的主要受力點都集中在圖6中的槽6處，之所以這里會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象主要原因有兩個：（1）連接塊存在較深的槽，這個槽將圖6的孔1切開1/2；（2）存在兩個銷孔，銷孔周圍也存在應力集中現(xiàn)象，重要的是這個銷孔周圍受力面較薄。因此在改進時要有效的避免這兩個缺陷。

2 抓手連接塊的改進

對改進后的抓手連接塊進行受力分析：根據(jù)上文的分析，將連接塊改進如圖7所示。

對改進后的抓手連接塊運用有限元分析：（1）材料選擇普通碳素鋼；（2）網(wǎng)格劃分采用3D四面體網(wǎng)格劃分，單元大小為3mm；（3）因為連接塊是螺栓固定在八角管，所以進行固定約束如圖8所示；（4）連接塊主要受到的時載荷類型為多孔管作用在連接塊上的所以施加如圖9所示的力4000N。

根據(jù)圖10可以看出最大毀壞主應力為71MPa，遠遠小于剛材的屈服強度355MPa，可以看出改進后的結(jié)構(gòu)改善了應力集中現(xiàn)象，滿足使用需求。

3 現(xiàn)場使用結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比

在其它條件不變的情況下將該位置的抓手連接塊換成新版的以后，經(jīng)過12個月跟蹤觀察未出現(xiàn)斷裂情況。通過現(xiàn)場使用的斷裂次數(shù)的統(tǒng)計與對比驗證了理論分析的正確性。

4 結(jié)語

本文改進機器人抓手上EGT120型號的抓手連接塊，解決了抓手連接塊高頻斷裂的問題。降低了抓手連接塊的更換頻次，降低了生產(chǎn)成本，提高了設備開動率。

參考文獻

[1]李鐵剛，馮顯英，岳明君，王兆國.碼垛機器人抓手的結(jié)構(gòu)設計及有限元分析與優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2017，（03）：49-52.

[2]詹友剛.UG NX8.0產(chǎn)品設計實例精解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.