換刀機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)與仿真

顧寄南，師二產(chǎn)，胡典傳

（江蘇大學(xué) 制造業(yè)信息化研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

換刀機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)與仿真

顧寄南，師二產(chǎn)，胡典傳

（江蘇大學(xué) 制造業(yè)信息化研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)逐步向自動(dòng)化、智能化方向不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域的需求也在不斷增加。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。機(jī)器人手爪作為機(jī)器人關(guān)鍵零部件之一，它是機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個(gè)機(jī)器人的工作性能。因此，對(duì)機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)與研究具有很重要的意義。

本文設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)控機(jī)床換刀的機(jī)器人手爪，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手指張開角度大的滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，并且采用價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)的氣動(dòng)控制方式，同時(shí)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)與仿真分析。

1 手爪設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1左邊所示為要抓取的對(duì)象，被抓取刀柄和刀具總重量為8kg，刀柄規(guī)格為日本標(biāo)準(zhǔn)BIGBT40刀柄樣本。根據(jù)要求，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手爪應(yīng)當(dāng)抓取穩(wěn)定可靠，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、重量較輕。此外，手爪作為機(jī)器人的末端構(gòu)件，其重量、尺寸等對(duì)整個(gè)機(jī)器人的性能都有很大的影響。為了滿足設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)的手爪爪齒齒面與刀柄的錐形槽接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀柄及刀具的抓取。為此，將手爪齒面設(shè)計(jì)成與刀柄錐形匹配的錐面。刀柄最大錐面直徑為 63mm，最小直徑為 53mm，為了能夠便于夾緊，手爪爪齒錐面的最小直徑應(yīng)大于 53mm，這里取為 54mm，手爪爪齒如圖1右邊所示。

圖1 手爪與刀柄的接觸圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了保證所設(shè)計(jì)的手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小，采用結(jié)構(gòu)緊湊的滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手指張開角度大等特點(diǎn)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)手爪對(duì)抓取對(duì)象的穩(wěn)定抓取，提高其可靠性，在抓取刀柄時(shí)，手爪爪齒的錐形面與刀柄的錐形面匹配接觸，如圖1所示。

換刀機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)如圖2所示，驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿末端通過(guò)銷軸與爪齒末端的滑槽連接，驅(qū)動(dòng)爪齒繞著支架上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，組成一滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，把氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成爪齒繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手爪對(duì)被抓取對(duì)象的抓取。同時(shí)，手爪上的錐面通過(guò)與刀柄中間錐（V）形槽結(jié)構(gòu)相匹配從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的抓取。錐（V）形槽結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人手爪的抓刀有引導(dǎo)的作用，并在抓刀過(guò)程中起到自動(dòng)定位的作用，因而提高了整個(gè)抓刀動(dòng)作的可靠性與穩(wěn)定性。

1.支架 2.圓柱銷 3.銷軸 4.爪齒一 5.爪齒二 6.圓柱銷7.活塞桿 8.氣缸 9.連接法蘭

1.2 夾緊力的計(jì)算

手爪驅(qū)動(dòng)氣缸選用QGX系列小型氣缸，缸徑 20mm，活塞桿直徑 8mm，其工作壓力 為0.15～0.8 ，建立如圖3所示的手爪力學(xué)模型。

圖3 手爪的力學(xué)模型

2 仿真分析

文中采用美國(guó)MDI公司（Mechanical Dynamics inc.）開發(fā)的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件對(duì)手爪進(jìn)行仿真分析。由于ADAMS軟件本身的造型能力比較弱，因此，首先在Pro/E中建立好三維模型，然后導(dǎo)入ADAMS中。本文采用中間通用數(shù)據(jù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸，首先將在Pro/E中建立好三維模型保存成 Parasolid(*.x_t)格式,然后導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)其進(jìn)行屬性編輯，施加約束及驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行仿真。

在ADAMS中設(shè)置仿真時(shí)間End time為4S,仿真步數(shù)Steps為100，啟動(dòng)仿真過(guò)程。并測(cè)量手爪爪齒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如圖4所示。

圖4 爪齒轉(zhuǎn)角、角速度與角加速度

從圖4中可以看出，采用滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，手爪爪齒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較大，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸較小，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)被抓取對(duì)象的表面特征設(shè)計(jì)了一種能夠穩(wěn)定抓取工作對(duì)象，可靠性高的專用手爪，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并且具有以下特點(diǎn)：

1）采用了滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手指張開角度大，縮小了手爪尺寸，減輕了重量。

2）采用了價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)的氣動(dòng)控制方式，該方式具有響應(yīng)速度快，動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

[1]駱敏舟,楊秀清,梅濤.機(jī)器人手爪的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2008(2).

[2]盛小明,鐘康民.帶增力機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人手臂末端夾持器[J].機(jī)械制造,2006,44(9).

[3]鄭建榮.虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

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[5]郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)及ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

Design and simulation of robot hand for automatic tool changer

GU Ji-nan, SHI Er-chan, HU Dian-chuan

機(jī)器人手爪作為機(jī)器人關(guān)鍵零部件之一，它是機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個(gè)機(jī)器人的工作性能。因此，對(duì)機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)與研究具有很重要的意義。本文根據(jù)被抓取的對(duì)象設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、抓取穩(wěn)定、可靠性好的專用手爪，采用滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)控制方式，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真。

機(jī)器人手爪；設(shè)計(jì)；仿真

顧寄南（1964 -），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘摂M機(jī)械設(shè)計(jì)與虛擬裝配、基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與制造、制造業(yè)信息化。

TP242

A

1009-0134(2011)4(上)-0109-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).34

2010-10-28