黃巍東 周奇才

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092）

為迎接世界范圍內的“互聯網+智能化”制造進程，各國都提出了不同表現形式的先進制造或技術創新策略。起重設備作為生產制造過程中不可或缺的一部分，理應在這場智能化革命中扮演重要角色。產品性能自動化、智能化和數字化是未來橋式起重機發展的一項重大趨勢。自動化產品，如識別、定位、抓取等自動化應用，在起重機械行業的應用潛力非常巨大，前景也十分廣闊[1]。

智能多功能吊具設計首先要滿足橋式起重機對被吊物體起吊的基本需求，吊鉤功能是我們在做綜合功能設計時必須具備的。除吊鉤以外，電磁吸盤、抓斗都在不同的應用領域有著獨一無二的特長。本文將通過對橋式起重機機械抓手進行綜合分析，以及各種結構的受力計算、演算、模擬，通過詳實的分析和嚴密的邏輯設計、精確的公式演算，得出一個相對完善的自動化橋式起重機多功能抓手。

1 多功能抓手的總體結構

市面上常見的橋式起重機抓手，大概可以劃分為三大類：吊鉤、電磁盤、抓斗。而我們在本文將研究的是該抓手的升級版——多功能智能機械抓手，如圖1所示。從功能定義上看，該抓手的功能應屬于廣義的智能機械手范疇。它應該包含有機械手的特定的部分功能形式，而該種形式又必須與橋式起重機的抓手的抓取功能需求相匹配。

圖1 多功能吊具功能結構示意圖

因此，該特定智能機械抓手的功能分析，需要從機械手的功能結構入手。我們在機械設計上考慮將鉤和夾持集成在同一個功能位置上。通常的吊鉤結構參數都是從截面形狀和水平方向的形狀兩方面入手。通用吊鉤的截面形狀有：圓形截面、矩形截面、梯形截面等，大噸位的鍛造工藝做的吊鉤通常為梯形截面，梯形截面材料省、結構合理，為通常吊鉤的首選截面形狀。而在我們的復合吊鉤設計中，考慮到與卡爪結構相關聯，截面形狀為矩形截面。

概念上的設計是否滿足機械結構強度需求，需要對設計結構進行理論計算與驗證分析。首先，從吊鉤的功能入手進行分析與計算。我們將其結構按照標準雙吊鉤簡化計算理論進行簡化受力分析，采用主流的吊鉤設計曲線梁理論一般化應用，利用雙梯形截面計算公式，對設計的雙鉤結構進行吊鉤受力強度分析，揭示其內應力的分布規律和危險截面。驗證設計尺寸符合安全設計系數，并指導優化設計尺寸。

圖2 設計吊鉤模型受力計算簡化圖

主要簡化受力分析如圖2所示，本設計中我們只需要重要考慮A-A和B-B危險截面的受力，其中，A-A截面中，內側可能受到的最大拉應力計算公式如式（1）所示。

式中，Q為額定吊重量，t；FA為截面面積，mm2；KA為形狀系數；R0為截面形心軸線至曲率中心點O的距離，mm；e1截面形心至截面外邊的距離，mm。

而分析截面B-B時，內側最大拉應力公式為如式（2）所示。

頂部定位槽承擔著主要荷載，其受到的剪切力與槽部高度的關系，如式（3）所示。

除通過以上對吊鉤功能進行求解驗證外，我們還對該復合抓手的夾持與磁吸功能進行了設計與結構分析[2]。

2 吊夾一體結構中夾持結合磁吸抓手設計與分析

吊裝夾具的抓取功能是機械手抓取功能的一個子應用。橋式起重機的三維自由度是自由式、開放式的，主要靠鋼絲吊繩連接，沒有關節能為最終的抓取提供支撐，這就決定了夾持方式抓手在吊裝抓手應用時的局限性。它只能在一個維度上Z方向對物體進行垂直抓取。

在功能分析方面，垂直抓取是機械手抓取工況中最惡劣的一類環境應用，其對工件的抓取全靠夾持力所提供的摩擦力來保證，如圖3所示，受夾具材質、工件表面質量、抓取環境等的影響都非常巨大。在橋式起重機重型物體抓取和搬運時，安全性是我們必須考慮的首要因素。存在諸多不可靠因素會影響抓取的安全性，所以，在垂直方向抓取環節，我們采用的設計方式為抓吸結合式，單純的抓取力并不獨立完成被起吊物體的固定，而是與電磁吸盤共同作用，讓夾持作為一種方向定位的輔助夾具，保證吊裝過程的安全性。

圖3 設計夾持功能工作狀態示意圖

在與磁吸功能的結合方面，我們對各種磁吸盤的結構進行了分析對照，得出整圓形結構是具有最大單位面積吸力的，但在本復合機構中，整圓結構被夾持功能分割為兩部分，如果采用多個小圓形結構單元拼合成一個大的吸盤結構，多個圓形結構又不能完全切合，各圓形之間存在一定的間隙，這些間隙就會大大減少吸盤在單位面積上的吸力，因而在磁吸尺寸較小的工件時，由于間隙位置的磁力缺乏，而產生空洞，從而造成吸附不牢等現象。

根據機構形狀我們采用圓形電永磁吸盤，但簡單的單圓磁吸結構與復合抓手的機械結構相沖突，復合抓手機構只能為磁吸結構提供兩個大的半圓區域。要盡量設計出大的有效磁吸面積，我們就采用了扇形組合方式。其結構形式如圖4所示，主磁體為6個小扇形磁體環，均勻分布在兩個大扇形上，由此結構內部的可逆磁體、線圈、磁極塊等都是扇形結構組合，整體外形還看似一個圓形電永磁吸盤。通過這樣的組合方式，使電永磁吸盤對可勵磁極有最大的勵磁效率，與之相應的是，在勵磁效率相當的情況下，采用該扇形內部構造的圓盤外形機構，能產生最大單位面積的吸力[3]。

圖4 扇形主磁體組合圓形吸盤結構示意

3 總結

本文對智能抓手的功能需求進行詳細深入的分析，優選組合智能抓手應具備的功能，并分別對每項應具備的功能進行對照，深化了機構設計需求，并在各種功能的組合情況下嘗試做出原型機構的設計與研究。在對原型機構進行完善設計的基礎上，又從各種功能需求及荷載要求的角度，對關鍵位置或功能節點進行反復推演驗證，在有必要的地方還進行了完善的數據計算與對照分析，分別從吊鉤結構、夾持結構及電永磁吸盤結構方面對該復合吊裝抓手進行了全面解析，并從機構和強度等方面論證了該機械機構的設計生產可行性。