基于八角管抓具的連接塊強(qiáng)度改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析

閆澤云　王國超　陳有剛

摘 要：為有效減少機(jī)器人八角管抓手EGT120型號(hào)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(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得應(yīng)力的分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布情況優(yōu)化連接塊結(jié)構(gòu)并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)減少了連接塊的斷裂頻次。有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相吻合，提高了設(shè)備開動(dòng)率。

關(guān)鍵詞：抓手連接塊；有限元；八角管

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0062-02

在現(xiàn)代制造業(yè)中，用在輸送設(shè)備上的八角管抓具應(yīng)用范圍廣泛。尤其是在汽車制造業(yè)中，應(yīng)用很是普遍。抓具是輸送設(shè)備抓取、搬用工件的重要部件，主要是對(duì)工件進(jìn)行夾持，通過電氣控制及氣路控制來實(shí)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(diǎn)：重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、精度高模塊、化設(shè)計(jì)、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(shí)際使用時(shí)，由于來料的波動(dòng)以及各種因素的影響會(huì)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(dǎo)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(gè)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(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析。優(yōu)化EGT120這種連接塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少了連接塊的斷裂現(xiàn)象。

目前關(guān)于機(jī)器人抓具的相關(guān)文獻(xiàn)主要研究方向是抓手的設(shè)計(jì)及特殊設(shè)備抓手的受力分析，比如王鐵鋼等編寫的《碼垛機(jī)器人抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析與優(yōu)化》[1]。關(guān)于目前應(yīng)用廣泛的八角管爪具的一些組成部件的受力的文獻(xiàn)較少，本文針對(duì)這種爪具的一個(gè)常用部件進(jìn)行了受力分析，并進(jìn)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(tái)抓放汽車零部件的機(jī)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(shí)現(xiàn)抓具準(zhǔn)確的將工件抓取及釋放。因?yàn)閬砹蠁栴}或者精度問題導(dǎo)致銷子與銷孔之間存在錯(cuò)位情況，一旦錯(cuò)位銷子就會(huì)收到板材的作用力，如圖2。

EGT120抓手連接塊用的45號(hào)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼的性能參數(shù)。

對(duì)連接塊的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核條件如下：

檢驗(yàn)條件：[σ]>σmax

[σ]=σs/n=355/1.2=296MPa

其中：[σ]——材料的許用應(yīng)力；

σs——材料的區(qū)服強(qiáng)度；

σmax——實(shí)際計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)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(cuò)位情況及抽樣測(cè)定的實(shí)驗(yàn)值推斷出定位銷的受力分布在0～300N之間，對(duì)圖1的部分進(jìn)行如圖3所示的簡(jiǎn)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(duì)之前的連接塊在軟件UG NX8.0用運(yùn)NX NASTRAN求解器進(jìn)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(yīng)力為439MPa大于材料的許用應(yīng)力[σ]=296Mpa，導(dǎo)致之前的連接塊出現(xiàn)圖5所示的高頻斷裂點(diǎn)，通過圖4與圖5對(duì)比驗(yàn)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(diǎn)都集中在圖6中的槽6處，之所以這里會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象主要原因有兩個(gè)：（1）連接塊存在較深的槽，這個(gè)槽將圖6的孔1切開1/2；（2）存在兩個(gè)銷孔，銷孔周圍也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，重要的是這個(gè)銷孔周圍受力面較薄。因此在改進(jìn)時(shí)要有效的避免這兩個(gè)缺陷。

2 抓手連接塊的改進(jìn)

對(duì)改進(jìn)后的抓手連接塊進(jìn)行受力分析：根據(jù)上文的分析，將連接塊改進(jìn)如圖7所示。

對(duì)改進(jìn)后的抓手連接塊運(yùn)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?yàn)檫B接塊是螺栓固定在八角管，所以進(jìn)行固定約束如圖8所示；（4）連接塊主要受到的時(shí)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(yīng)力為71MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛材的屈服強(qiáng)度355MPa，可以看出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足使用需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)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(gè)月跟蹤觀察未出現(xiàn)斷裂情況。通過現(xiàn)場(chǎng)使用的斷裂次數(shù)的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4 結(jié)語

本文改進(jìn)機(jī)器人抓手上EGT120型號(hào)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(shè)備開動(dòng)率。

參考文獻(xiàn)

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

[2]詹友剛.UG NX8.0產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.