夾緊機械手的設計與優化

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]。它作為直接的執行機構，本身的形狀、重量對整個系統的性能有著直接的影響。傳統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，提出了應用現代設計方法對機械手結構進行優化的方案。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向下運動，反而會使夾緊手指松開，所以當夾取不同規格的工件時，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；N2為工況系數，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；G為工件質量（kg），本設計中取工件的質量為14kg。考慮到夾緊力過大有可能導致工件的損壞，最終確定FN=950N。

結構參數確定后由公式可以得出驅動力F=452N。考慮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分析

1）有限元模型的建立

ANSYS Workbench支持導入各種CAD軟件創建的幾何模型，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的簡化，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的簡化。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節，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，其中單元數為22665，節點數為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 機械手的靜態變形圖

圖5 機械手的靜態應力圖

計算后發現，最大變形為0.3186mm（如圖4所示）,出現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），出現在夾緊手指的直角處；安全系數為：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，由以上數據可知機構有明顯的應力集中現象，所以有必要對其進行優化設計。

3 拓撲優化設計

拓撲優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。這種方案在拓撲優化中表現為“最大剛度”設計或“最小應變能”設計[3]。基于密度函數建立線彈性結構拓撲優化設計在靜力狀態下的數學模型可以表示為：

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

圖6 拓撲優化結果圖

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。由于拓撲優化后的模型的形狀不規則，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變形圖。

圖8 改進后機械手的靜態變形圖

通過對比可以發現，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，優化取得了一定的成效。

表1 優化結果對比

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化分析，根據優化結果，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.