多用途抓取類機(jī)械手設(shè)計及分析

崔福霞

摘 要：該文在對抓取類機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的軟件對各種類型的機(jī)械手進(jìn)行建模仿真設(shè)計，并且對抓取類機(jī)械手關(guān)鍵部位的運(yùn)動和應(yīng)力進(jìn)行研究，對其運(yùn)動中所產(chǎn)生的振動情況進(jìn)行分析，對機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：多用途抓取類機(jī)械手 設(shè)計 分析

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0119-02

在人們的社會活動和生產(chǎn)生活當(dāng)中，多用途抓取類機(jī)械手發(fā)揮了較大的作用，能夠幫助人們在危險的環(huán)境中進(jìn)行各種操作，目前抓取類機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中也有較大的發(fā)揮。為了進(jìn)一步提高抓取類機(jī)械手的工作效果，需要在對不同種類機(jī)械手的整體特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，在機(jī)械手端部采取電磁鐵進(jìn)行吸附連接，以此來實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械手之間的靈活轉(zhuǎn)換，形成多用途抓取類機(jī)械手，并且在機(jī)械手部分加上壓力傳感器和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以此來對物品的硬度進(jìn)行判斷，從而選擇更加合適的傳動方式和驅(qū)動方式。

1 多用途抓取類機(jī)械手的仿真

1.1 建模仿真

目前常見的多用途抓取類機(jī)械手主要包括吸盤式、兩爪式和三爪式等類型，分別在不同場合中進(jìn)行工作，在對這些多用途抓取類機(jī)械手進(jìn)行仿真建模的過程中，其主要包括液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)是多功能機(jī)械手完成各項(xiàng)動作的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，通常包括機(jī)械手抓、前臂、支架和底座等工作裝置，在對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模的過程中，需要對不同的結(jié)構(gòu)配件執(zhí)行最基本的建模命令，形成相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。然后根據(jù)機(jī)械部件類型的不同，將機(jī)械系統(tǒng)中的機(jī)械部件進(jìn)行相互連接，主要包括機(jī)械手底座與后臂之間的連接，前臂孔和后臂孔之間的連接，在機(jī)械系統(tǒng)連接完成之后，對液壓裝置進(jìn)行裝配，形成完整的機(jī)械手模型[1]。

1.2 對重要元件進(jìn)行選擇

為了保證多用途抓取類機(jī)械手能夠在不同的環(huán)境場合中進(jìn)行工作，同時在最大程度上提高機(jī)械手的抓取效果，需要對其中的重要元件進(jìn)行選擇。這些重要元件主要包括這樣幾個部分：首先是壓力傳感器，壓力傳感器主要安裝在機(jī)械手指之間，在機(jī)械手進(jìn)行抓取動作的過程中，壓力傳感器能夠在對物體的硬度進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)上，對所施加的壓力進(jìn)行控制，保證機(jī)械手能夠順利地夾取不同硬度的物體，在壓力傳感器的選擇上，可以選擇薄片式電阻式應(yīng)變片來進(jìn)行使用。另外一種重要元件為PIC控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況來對PLC控制系統(tǒng)設(shè)定參考壓力值，在輸入壓力和參考壓力值進(jìn)行比較之后，對電動機(jī)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來對機(jī)械手爪的輸出動力進(jìn)行控制，方便機(jī)械手爪抓取各種不同硬度的物體，對于PLC控制器的選擇，可以使用三菱FX1S-14MT-ESS/UL。對電磁鐵的選擇，電磁鐵在通電的情況下能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附力，通常應(yīng)用到吸附式機(jī)械手當(dāng)中，能夠?qū)ξ矬w產(chǎn)生吸附力，使物體進(jìn)行移動或者拾取，實(shí)現(xiàn)各種抓取部件的靈活轉(zhuǎn)換，對于電磁鐵的選擇需要根據(jù)機(jī)械手的類型和使用場合進(jìn)行確定[2]。最后是對電機(jī)的選擇，電機(jī)主要應(yīng)用到液壓傳動裝置當(dāng)中，液壓傳動裝置能夠控制機(jī)械手臂進(jìn)行伸長和縮短，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的各種動作，電機(jī)能夠通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)液壓桿的油液壓力，來對機(jī)械手臂伸長或者縮短的速度進(jìn)行定植，一般情況下，電機(jī)的額定電壓為1.5～6 V之間，額定電流在0.02～0.5 A之間，額定轉(zhuǎn)速為6 000～16 000 r/min之間。

2 對機(jī)械手的運(yùn)動形態(tài)進(jìn)行分析

機(jī)械手臂的運(yùn)動主要體現(xiàn)在前臂、后臂和手掌當(dāng)中，在對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動形態(tài)進(jìn)行仿真的過程中，可以對機(jī)械手模型中機(jī)械系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行仿真建模，并且通過Step函數(shù)來對物體合適的仰俯角度進(jìn)行控制，其中需要注意這種角度需要與機(jī)械手的活動范圍保持一致。對機(jī)械手運(yùn)動形態(tài)的分析主要包括物體的位移、速度和加速度，3個轉(zhuǎn)動副輸出力包括手掌和前臂、后臂中間處、前臂和后臂。在對機(jī)械手后臂運(yùn)動和前臂運(yùn)動進(jìn)行分析的過程中，可以采用ADAMS軟件來進(jìn)行仿真分析，通過建立相應(yīng)的模型，得出機(jī)械手臂的運(yùn)動簡圖，能夠清晰明了地看出機(jī)械手臂機(jī)械系統(tǒng)中各個部件的運(yùn)行形態(tài)，并且在此基礎(chǔ)上對機(jī)械手臂的運(yùn)行形態(tài)和規(guī)律進(jìn)行分析研究。

3 機(jī)械手臂的應(yīng)力分析

機(jī)械手臂的好壞決定著機(jī)械手的工作性能，所以說在對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計分析的過程中，需要對其應(yīng)力進(jìn)行分析，在實(shí)際分析的過程中，可以采用ABAQUS工程模擬有限元軟件來進(jìn)行，這種模擬軟件能夠從相對簡單的線性分析到復(fù)雜的非線性問題中，在對機(jī)械手臂的應(yīng)力進(jìn)行分析的過程中，就可以以機(jī)械手臂為例，對其靜應(yīng)力和動應(yīng)力進(jìn)行分析，以此來對機(jī)械手工作過程中的應(yīng)力情況進(jìn)行控制，防止機(jī)械手由于應(yīng)力問題產(chǎn)生損壞，影響實(shí)際的工作效果。

3.1 機(jī)械手臂的靜應(yīng)力分析。

利用ABAQUS軟件對機(jī)械手臂進(jìn)行靜應(yīng)力分析，在分析之間，根據(jù)機(jī)械手臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況來對荷載進(jìn)行設(shè)置，一般情況下設(shè)置荷載為100 MPa，在機(jī)械手臂上的各個部分進(jìn)行編號，觀察編號點(diǎn)應(yīng)力隨時間的變化情況。在經(jīng)過觀察之后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)后臂轉(zhuǎn)動的時候，軸給后臂以徑向力，導(dǎo)致后臂發(fā)生形變，在這樣的過程中，施加在后臂上的應(yīng)力較大，在時間的不斷增加中，后臂的形變越來越明顯，這就說明應(yīng)力越來越大，在應(yīng)力持續(xù)增加的情況下，可能會導(dǎo)致機(jī)械手臂出現(xiàn)破損的現(xiàn)象，影響機(jī)械手臂的正常工作。

3.2 機(jī)械手臂的動應(yīng)力分析。

動應(yīng)力主要指的是機(jī)械手臂在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，機(jī)械手在對物體進(jìn)行抓取的過程中會引起機(jī)械手臂的運(yùn)動，對抓取物體的平穩(wěn)性和效果產(chǎn)生較大的影響，所以說一般在對機(jī)械手臂動應(yīng)力分析的過程中，主要是對是振動作用進(jìn)行分析，將利用ABAQUS軟件所形成的模型直接導(dǎo)入動應(yīng)力分析當(dāng)中，對機(jī)械手臂的變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制，通過研究分析之后可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械后臂在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的過程中，會發(fā)生不同程度的振動，這樣的振動會對機(jī)械手的平穩(wěn)性和抓取準(zhǔn)確度造成一定的影響，在對機(jī)械手臂的動應(yīng)力進(jìn)行分析之后，能夠得到不同情況下機(jī)械后臂的振動特點(diǎn)和規(guī)律，對后臂的設(shè)計提供依據(jù)[3]。

4 結(jié)語

文章在對多用途抓取類機(jī)械手臂機(jī)械系統(tǒng)中各個作業(yè)部件進(jìn)行仿真建模，并且在此基礎(chǔ)上，對機(jī)械手中所應(yīng)用的重要元件進(jìn)行選擇，保證多用途抓取類機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)不同抓取部件之間的轉(zhuǎn)換，并且通過對機(jī)械手臂的運(yùn)動和應(yīng)力進(jìn)行分析，能夠研究出機(jī)械手臂的運(yùn)用規(guī)律和應(yīng)力變化情況，保證機(jī)械手的正常使用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 趙春平，李志華，李亞斌.一種自適應(yīng)多用途電磁機(jī)械手設(shè)計[J].中國儀器儀表，2017（2）：58-60.

[3] 平艷玲，劉波.基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（30）：128.