木地板碼垛機械手末端夾持機構設計及運動學仿真

胡岳，劉誠

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

木地板碼垛機械手末端夾持機構設計及運動學仿真

胡岳，劉誠

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

論文設計了一款可以一次性抓取多塊木地板的末端夾持型執行機構。運用SolidWorks三維制圖軟件建立了機械手末端執行機構的三維模型。并運用ADAMS仿真軟件對機械手末端夾持機構的三維模型進行運動學分析。結果表明，論文所設計的機械手末端夾持機構能夠平穩抓取和放開板材，達到使用要求。

木地板；碼垛機械手；末端執行機構設計；運動學仿真

0 引言

機械手是能夠模仿人的手臂來達到某些功能，可以按固定的程序進行抓取、搬運、碼垛物件或操作工具的一種機械電子裝置［1］。隨著生產技術發展速度越來越快，市場的競爭也越來越激烈，產品的生產周期縮短，生產批量較原來變小，產品的生命周期也縮短，生產需求和生產線較低工作效率之間的矛盾日益突出［2］。因此，提高生產線的生產效率對于各個制造行業尤為重要。對于木地板行業，運用機械手將半成品從一個工序移送到另一個工序或將成品搬運并碼垛，極大地提高了木地板生產線的生產效率，同時減小了企業在人員上的開支，避免了人在工作中的不慎操作導致人受傷或產品的損壞［3］。

現在用于抓取板材的碼垛機械手末端執行機構大多采用真空吸附式的末端執行機構，這種機構雖可以穩定的抓取板材，但每次只能抓取一塊板材，機械手要完成工作就要重復更多次抓取、放開動作。如要真空吸附式執行機構抓取多塊板材，則執行機構的外形尺寸和重量都要加大，這對于提高生產效率是一個極大的障礙。為了解決這一問題本文采用夾持型機構，這種機構就可以一次性穩定地夾取多塊板材，從而極大地提高了機械手的工作效率，同時也縮小了末端執行機構的大小和重量。

夾持型末端執行機構包括回轉型手爪和平移型手爪兩種［4］，由于抓取的目標物是多塊木地板，所以夾持時機械臂應能夠使每塊板材都能受到足夠的夾取力來防止各塊板材受力不均導致搬運過程中板材掉落。而回轉型的夾持機構在板材尺寸略有變化的情況下就可能出現夾爪夾持時與板材之間產生一定的角度，這樣就造成加在部分板材上的夾持力變小甚至沒有夾持力，因此本設計采用平移型手爪來解決這一問題。

1 機構設計

1.1機械手末端執行機構的運動原理

木地板碼垛機械手末端執行機構運用氣缸驅動機械手臂可以實現抓取、放開目標抓取物。本設計運用氣缸帶動一個平行四邊形桿機構來驅動兩個機械臂，使機械臂運動時能夠達到平行移動的目的。圖1是機械手爪的機構原理示意圖。

圖1　機械手爪機構原理圖Fig.1 Schematic of the end effector

氣缸驅動桿1上下移動，桿1則帶動桿2、3、4、5組成的平行四邊形機構，當桿1向上移動時機械臂6、7相向運動從而夾緊目標夾取物，桿1向下移動時機械臂6、7相反運動從而放開目標夾緊物。

1.2整體方案設計

本文選用SMC公司生產的CG1-LN40-50Z的氣缸作為驅動單元，其缸徑為40mm，行程為50mm。經計算，該氣缸在驅動力和行程上能夠滿足要求。

本設計運用Solidworks軟件對機械爪的各個零部件進行三維模型的建立，然后再組裝成裝配體。Solidworks是一個基于windows平臺的三位機械設計自動化軟件，主要采用參數化和特征造型技術進行建模［5］。Solidworks以其優異的性能、易用性和創新性，極大地提高了機械設計的設計效率和質量，目前已成為主流的3D CAD軟件［6］。

在對末端執行機構三維模型的建立時，先逐步地建立機械手爪各個單元的模型，然后再對各個單元模型按照布局來進行裝配。主要包括滑動導軌與滑塊固定在底座上的裝配，氣缸裝配，機械臂與夾板單元裝配并固定在滑動軌道的滑塊上，頂部支撐架與底座裝配，氣缸、連桿及機械手臂的裝配等。裝配時使用合適的配合方式并選用Solidworks自帶的標準螺絲螺母等進行定位。為以后的機械手爪運動學分析仿真做準備。圖2是機械手爪的總裝配三維模型圖。

圖2　末端執行機構的裝配三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model diagram of the end effector

2 運動學仿真

運用ADAMS仿真軟件進行運動學的仿真來驗證機械手末端執行機構張開時的尺寸是否比板材尺寸大從而能夠達到裝夾板材的位置，夾緊時的尺寸是否能夠滿足夾起板材的條件，另外該執行機構在運行時是否能夠平穩地完成抓取和放開目標抓取物的動作等。目前美國機械動力學公司的ADAMS軟件是世界上應用最廣泛最具權威性的機械系統動力學仿真分析軟件［7］。ADAMS是以計算多系統動力學為基礎，包含多個專業模塊和專業領域的虛擬樣機開發系統軟件，利用它可以建立起復雜的機械系統的運動學和動力學模型［8～10］。將Solidworks中創建的機械手三維模型導入到ADAMS中。

運用ADAMS軟件的添加約束模塊對三維模型的各個零件之間的關節進行運動副的設置。其中移動副有5個，轉動副有8個，然后運用ADAMS驅動設置模塊中的平行移動副驅動設置氣缸活塞桿的運動參數然后進行仿真分析。以下圖示是氣缸活塞桿和兩個末端夾板運動分析結果。

圖3　末端兩夾板的時間-位移曲線Fig.3 Time-displacement curve of the echanical fingers

圖4　末端兩夾板的時間-速度曲線Fig.4 Time-speed curve of the mechanical fingers

圖5　末端兩夾板時間-加速度曲線Fig.5 Time-acceleration curve of the mechanical fingers

所選的氣缸行程為50mm，通過移動副驅動設置可知設定的氣缸行程為50mm。兩個末端夾板的總移動行程為60mm，兩末端夾板最大距離大于板材尺寸，表明兩夾板可以到達夾取板材的位置。兩末端夾板最小距離能夠滿足完成夾取木地板動作的條件。從仿真結果可以看到機械爪末端夾板的速度和加速度曲線是一條平滑連續的曲線，這說明機械爪在運動和抓取過程中運行平穩，沒有出現速度和加速度的突變，并且機械結構沒有干涉和震動的現象，能夠達到使用要求。

3 結束語

本文完成了對木地板碼垛機械手末端執行機構的各個模塊的機構設計，并且建立了該執行機構的三維模型。通過對建立的三維模型進行運動學仿真分析，驗證了該設計能夠滿足夾取板材的尺寸要求，并且其運行平穩，無干涉和震動現象，能夠滿足使用要求。為木地板生產線實現自動化產品碼垛和搬運提供了一個可借鑒的方法。

［1］王建軍.搬運機械手仿真設計和制作［J］.機械設計及制造，2012，3.

［2］蔣新松.未來機器人技術發展方向的探討［J］.機器人，1996，5.

［3］馬光，申桂英.工業機器人的現狀及發展趨勢［J］.組合機床與自動化加工技術，2002，3.

［4］井江浩.工業機器人執行器的快速變型設計與分析［J］.機械設計與制造，2014，1.

［5］胡仁喜.Solidworks2012機械設計從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［6］DS Solidworks公司.Solidworks零件與裝配體教程［M］.機械工業出版社，2013.

［7］Chen Q，Luh J YS.Petri Net truncation：an effective approach tosloving complex scheduling problem［A］.IEEE Int Conf on Robotics and Automation［C］.Atlanta，GA，USA：IEEE Comput SocPress，1993.

［8］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［9］Movahedy M.Gdata M S，Altintas Y.Simulation of orthogonal metal cutting process using an arbitr any lagrangian Eulerian finite element method［J］.Journal of Materials Processing technology，2000，2.

［10］賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通［M］.機械工業出版社，2010.

Structure Design and Kinematics Simulation of the Clamping Mechanism on Palletizing Robot for Wooden Floors

HU Yue，LIU Cheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

This paper designs an end effector for carrying several wood floors at one time.Three-dimensional model of the end effector is founded by using Solidworks，and the kinematics simulation is made by ADAMS.The results show that the designing can grab and release the floors smoothly，validate the gripper can meet the design requirement.

wood floor；palletizing robot；the designing of the end effector；kinematics simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-067-03

2014-12-30

胡岳，機械設計及理論在讀研究生；通信作者：劉誠，男，吉林扶余人，副教授，碩士研究生導師。從事木制品先進制造技術與設備研究。