工業(yè)機器人碼垛手爪的結構設計

劉 勇，陸宗學，卞紹順

（連云港杰瑞模具技術有限公司，江蘇連云港 222006）

工業(yè)機器人碼垛手爪的結構設計

劉 勇，陸宗學，卞紹順

（連云港杰瑞模具技術有限公司，江蘇連云港 222006）

介紹了一種適用于大尺寸料袋的機器人氣動手爪。為了提高設計效率和可靠性，首先在Solidworks中建立三維模型，并采用有限元仿真插件simulation進行仿真，仿真結果和實際操作表明，該手爪結構可靠合理，滿足了生產需求。

機器人；手爪；Solidworks；仿真

機器人的應用普及，提高了生產效率，而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度及降低成本具有十分重要的意義。機器人動作實現由機器人本體和末端執(zhí)行器共同完成。機器人本體及相關控制已經規(guī)模化，而末端執(zhí)行器由于完成任務的不同，呈現多樣化的特點。

1 機器人末端執(zhí)行器簡介

末端執(zhí)行器也叫機器人的手部，它是安裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。包括從氣動手爪之類的工業(yè)裝置到弧焊和噴涂等應用的特殊工具。由于機器人的多方面應用，末端執(zhí)行器通常針對某一特殊場合進行專門設計。它的設計依據工件的特定參數和工作空間的環(huán)境，同時還需要考慮自身的重量和轉動慣量，以保證機器人實現的技術條件，確保機器人操作時安全可靠。機器人末端執(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。

2 手爪的結構設計

2.1 碼垛手爪的設計要素

機器人手爪設計需要考慮多方面的因素，具體如下。

（1）手爪工作目標的重量、大小及材質

對于不同對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；對于導磁性介質可采用磁力吸盤；對于PVC料袋等采用夾鉗式。

（2）機器人機型的選擇

機器人最大負載能力和工作半徑，機器人的轉動慣量，機器人的價格。

（3）手爪的經濟工作方式

采用電動、氣動、液壓等作為動力來源，涉及的結構及其制造、使用和維護成本不一樣，利用現場環(huán)境可提供的動力能夠降低制造成本。

（4）手爪前端送料的輸送帶的結構

對于料袋抓取的輥子輸送帶一般有國標，需要采用標準的接口，而對于皮帶輸送帶，就要考慮怎樣來實現。

（5）機器人運動末端工件放置的空間布局。

2.2 基于Solidworks的抓手結構設計

本例設計抓手所抓取的工件為麻袋，成型尺寸為880 mm×700 mm×250 mm（長×寬×高），重量為80 kg，輸送帶末端承接檢測臺為輥子輸送帶，輥子間距為80 mm，現場有壓縮空氣提供，根據以上信息決定采用夾鉗式結構。抓手主要功能為抓緊時氣缸推動擺抓，抓住料袋，隨后壓緊氣缸推動壓板，將料袋壓緊放置搬運過程中甩出；放料時壓緊氣缸松開，抓緊氣缸推動擺抓，將料袋放下。

Solidworks軟件功能全面，簡單易用，本案例利 用 Solid?works進行結構設計。設計流程如下：先繪制結構簡圖，保證設計的主要尺寸能夠完成動作要領，然后在結構簡圖的基礎上進行詳細的零件設計和虛擬裝配。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數值）技術的設計分析軟件，對Solidworks的零件和裝配體的幾何模型、載荷和支撐進行離散化處理后，將幾何模型劃分成有限單元的網格來進行求解[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生撓度，首先分析其強度。齒部采用25×18扁鋼成型，為了降低自重，對其背部進行去除部分材料。經過在靜態(tài)情況下對固定面和受力面進行限定后，求解如下。

如圖2所示，應力圖以齒部和擺動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，最大應力值為3.635×107N/m2，材料屈服強度為最大應力值為2.2×108N/m2，符合設計要求。

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，當失去負載時，能夠恢復，達到設計要求。

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

綜合以上模擬，爪部設計可靠，能夠滿足使用需求。

圖2 齒部應力圖

圖3 齒部位移圖

圖4 齒部應變圖

4 結論

應用Solidworks及其仿真插件Solidworks Simu?lation進行機器人碼垛手爪設計和仿真，縮短了設計時間，利用軟件分析實現了零件的輕量化設計，降低了自重，為機器人選型提供了可靠的保證。本例進行實際生產后設備運行穩(wěn)定可靠，取得了良好的效果。

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

［2］張奔，卞新高，朱燈林.用于抗洪打樁的四足機器人結構設計［J］.機電工程，2012（11）：1259-1263.

［3］陳超詳，葉修梓.Solidworks Simulation基礎教程［M］.北京：機械工業(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，大學本科，工程師。研究領域：機械設計及其自動化。

(編輯：向 飛)

2013－08－28