分揀夾持裝置抓取性能的研究①

秦 強， 曾令春， 武 帥

(1.合肥學(xué)院先進制造工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.哈工大研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

良好的抓取性能是夾持裝置進行穩(wěn)定抓取的基礎(chǔ)，也是夾持裝置正常工作的前提。抓取性能指標(biāo)主要包括：抓取力、抓取速度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性等方面[1]。針對不同的夾持裝置，影響抓取性能的參數(shù)也不同，由文獻[2]得知，針對繩索式假肢手其驅(qū)動滑輪半徑直接決定抓取穩(wěn)定性能。雷翔鵬[3]指出對于欠驅(qū)動多指機械手的關(guān)節(jié)接觸點位置及接觸力大小影響抓取穩(wěn)定性。LI[4]建立廣義外力橢球，通過奇異值描述接觸點的位置偏離奇異抓取位置的偏移量，進一步描述抓取穩(wěn)定性。抓取速度的選取對夾持裝置的性能也是有極大影響的。定量的速度求解方法常用的有求導(dǎo)法、矢量法和網(wǎng)格法等[5-6]。黃真[7]等利用影響系數(shù)法對不同構(gòu)型的并聯(lián)機器人進行動力學(xué)分析計算，分析抓取速度與接觸力。Zenebe[8]采用螺旋代數(shù)法進行分析，提出海賽矩陣用于對與加速度的分析。通過建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，進行推導(dǎo)計算得到速度對抓取性能的影響。

基于Adams與workbench對廢舊鋰電池分揀夾持裝置的抓取性能進行分析，得到接觸力與抓取速度的關(guān)系，并結(jié)合疲勞壽命預(yù)測結(jié)果及安全性要求，得到夾持裝置的最佳抓取速度。通過研究可以準(zhǔn)確獲得到抓取機構(gòu)的運動規(guī)律，從而為改善機構(gòu)的性能提供依據(jù)，大大縮短了研究周期，對優(yōu)化改進其他機構(gòu)具有普遍的參考意義。

1 夾持裝置分析

1.1 分揀鋰電池參數(shù)

廢舊鋰電池的分揀夾持裝置主要是針對18650型鋰電池的分揀，18650型鋰電池表示直徑18mm長度65mm圓柱型鋰電池，且鋰電池的質(zhì)量不超過50g。

1.2 分揀夾持裝置的工作原理

齒輪齒條的位置布置如圖1所示，分揀夾持裝置工作原理如圖2所示。

圖1 齒輪齒條的位置

夾持裝置的工作原理主要是通過兩個齒條平行嚙合在同一齒輪的兩邊，齒輪的轉(zhuǎn)動帶著兩個齒條的相對運動，手指連接座同時與手指、導(dǎo)軌及齒條連接在一起。與導(dǎo)軌的連接保證其只能沿著滑軌方向運動，不發(fā)生偏移，將齒輪旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為手指連接座的平動，帶動手指完成手指的張合。

工作過程主要是通過齒輪齒條的嚙合將舵機的扭矩傳遞給手指連接座進一步轉(zhuǎn)為手指的夾持力，進行物品的夾取。齒輪通過螺釘與舵機轉(zhuǎn)軸固定，且舵機斷電鎖緊進而引起齒輪的鎖緊，達到了斷電自鎖的目的。

1-法蘭；2-底板；3-舵機；4-手指連接座；5-蓋板；6-手指；7-圓柱；8-導(dǎo)軌；9-導(dǎo)軌連接座；10-外殼；11-齒輪；12-齒條；13-舵機安裝座；

2 夾持裝置動力學(xué)性能分析

2.1 夾持裝置的受力分析

夾持裝置通過兩個手指連接座帶動手指運動進行物品的抓取，手指夾取物品的受力如圖3所示。

圖3 夾取物品的受力分析

圖3中Fn為手指連接座施加與手指的力。Fn1，F(xiàn)n2，F(xiàn)n3，F(xiàn)n4都是夾取物品時的擠壓接觸力。由受力分析可知式(1)，(2)：

N1=N2=N3=N4

(1)

f1=f2=f3=f4

(2)

夾取物品的條件為式(3)：

4f1sinθ>A

(3)

對應(yīng)手指及手指連接座中心對稱，受力相同，因此只需分析一對即可。手指及手指連接座的受力如圖4所示。

圖4 受力分析

Fn=Fn

(4)

夾持裝置工作過程中，抓取物品的瞬間受到?jīng)_擊載荷的作用，且抓取速度直接影響沖擊載荷大小。對沖擊載荷作用下，夾持裝置結(jié)構(gòu)的合理性進行有限元分析。對夾持裝置進行動力學(xué)分析，得到抓取速度與沖擊載荷關(guān)系，為有限元分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 模型的建立與參數(shù)化

分揀夾持裝置的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運用第三方建模軟件Solidworks建立模型，進一步簡化模型將模型以.x_t格式導(dǎo)入Adams軟件進行動力學(xué)仿真分析。分揀夾持裝置在對鋰電池抓取時，電池與夾爪之間的接觸力和抓取速度是影響抓取穩(wěn)定性及效率的重要因素，利用Adams軟件分析齒輪齒條接觸部位接觸力、手指與物體接觸部位接觸力與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

將夾持裝置模型進行合理的假設(shè)，認(rèn)為其各部分材料分布均勻，各部分的材料屬性如表2所示。

表1 各部件的材料屬性

2.3 約束與后處理分析

設(shè)置材料屬性及約束條件。包括各部件間的連接關(guān)系、齒輪齒條的接觸和手指與物品的接觸及手指的耦合關(guān)系等。輸入齒輪的扭矩保證可以抓緊物品，通過修改齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，輸出手指與鋰電池接觸部位的接觸力曲線及齒輪齒條接觸部位接觸力曲線。設(shè)置仿真步數(shù)為100。分別得到手指與物品和齒輪與齒條的接觸部位的最大接觸力與齒輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 接觸力與齒輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖5可知隨著轉(zhuǎn)速的增大夾持裝置各部位的接觸力也是不斷增大的，且齒輪齒條接觸部位的接觸力比手指部分的接觸力大。這主要是由于兩個接觸部位力的方向是不同的，且齒輪齒條接觸部位接觸力的方向與手指的運動方向的夾角小于手指接觸部分接觸力與手指運動方向的夾角。

3 分揀夾持裝置的有限元分析

3.1 分揀夾持裝置的有限元分析

將手指、手指連接座及齒輪齒條的三維模型以x_t.的格式分別導(dǎo)入到ANSYS workbench中，將動力學(xué)仿真得到的不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最大接觸力作為靜力學(xué)分析的載荷，得到不同齒輪轉(zhuǎn)速下手指、手指連接座及齒輪齒條對應(yīng)的最大等效應(yīng)力及變形量結(jié)果如圖6，7所示。

由圖6,7可知，隨著齒輪轉(zhuǎn)速的提高，夾持裝置各部件的最大變形及最大應(yīng)力也都是增大的。同一轉(zhuǎn)速下，手指的變形量最大，手指連接座的最大等效應(yīng)力最大。

材料的疲勞性能曲線需進行修正以便得到構(gòu)件的疲勞性能，根據(jù)實際情況選擇Gerber理論作為平均應(yīng)力修正理論對S-N曲線修正[9]。

手指材料為工程塑料，作為消耗品其壽命不需考慮。手指連接座及齒輪齒條不同的齒輪轉(zhuǎn)速下的壽命，基于有限元分析基礎(chǔ)上利用FatigueTool模塊進行壽命的計算，結(jié)果如8圖所示。

圖6 最大變形與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 最大應(yīng)力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖8 壽命與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖8可知轉(zhuǎn)速在0.083r/s前，手指的壽命都是無限壽命，0.083r/s到0.167r/s隨著舵機轉(zhuǎn)速的增大，手指連接座的壽命是急劇減小的，速度高于0.167r/s后壽命繼續(xù)減少，且低于1e7次。而齒輪齒條的壽命隨著舵機轉(zhuǎn)速的增加沒有改變，主要是由于手指連接座的受力復(fù)雜且手指連接座的抗拉強度較小，受到的破壞更嚴(yán)重。齒輪齒條的材料抗拉強度高，結(jié)構(gòu)緊湊0.5r/s的轉(zhuǎn)速內(nèi)，其壽命都是達到無限壽命。

3.2 抓取速度的確定

抓取速度的大小直接影響工作效率，抓取速度越大夾持裝置的工作效率越高，同時抓取速度越大，夾持裝置所受得沖擊載荷越大，安全性降低。通過調(diào)研得知夾持裝置安全系數(shù)不低于2.5[10]。

安全系數(shù)是考慮計算載荷及應(yīng)力準(zhǔn)確性、工件工作重要性以及材料的可靠性等因素影響工件強度的強度裕度。

安全系數(shù)的計算公式為式(5)：

(5)

式(5)中：n為安全系數(shù)；σs為極限應(yīng)力；σ為許用應(yīng)力。

由公式計算得到不同齒輪轉(zhuǎn)速下手指、手指連接座、齒輪齒條的安全系數(shù)。如圖9所示。

圖9 安全系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由曲線可知隨著齒輪轉(zhuǎn)速的增大，夾持裝置的安全系數(shù)是不斷減小的。同一齒輪轉(zhuǎn)速下手指連接座的安全系數(shù)最小，齒輪齒條的安全系數(shù)最大。夾持裝置的安全系數(shù)要求不低于2.5，考慮實際的工作要求及使用壽命，選擇的抓取速度為0.167r/s。夾爪夾取物品時單個手指的移動距離約10mm，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.167r/s時，抓取時間為0.87s。

由圖8可知轉(zhuǎn)速0.167r/s，手指的最大應(yīng)力為19.67MPa，手指連接座的最大應(yīng)力為190.37MPa，齒輪齒條的最大應(yīng)力為114.1MPa。而手指的屈服強度為85MPa，手指連接座的屈服強度為565.4MPa，齒輪齒條的屈服強度為1800MPa，因此夾持裝置的強度剛度滿足工作要求的。手指的安全系數(shù)為4.32，手指連接座的安全系數(shù)為2.97，齒輪齒條的安全系數(shù)為15.77，滿足安全要求。

4 結(jié) 語

分揀夾持裝置的抓取性能研究得知，抓取速度影響抓取時的沖擊力，且抓取速度越大，抓取時對抓取物的沖擊力越大，對物體的損傷也越大，抓取的安全性也降低?？紤]抓取的效率及抓取的安全性。運用軟件分析得到對于廢舊鋰電池的抓取最優(yōu)速度為0.167r/s，此時的壽命為6.73e6次。基于Adams與workbench結(jié)合夾持裝置的安全要求，分析確定夾取的最佳速度，為速度的選擇分析提供一種新的思路與方法。為后期的產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考。