橋式起重機多功能抓手設(shè)計與分析

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(nèi)的“互聯(lián)網(wǎng)+智能化”制造進程，各國都提出了不同表現(xiàn)形式的先進制造或技術(shù)創(chuàng)新策略。起重設(shè)備作為生產(chǎn)制造過程中不可或缺的一部分，理應(yīng)在這場智能化革命中扮演重要角色。產(chǎn)品性能自動化、智能化和數(shù)字化是未來橋式起重機發(fā)展的一項重大趨勢。自動化產(chǎn)品，如識別、定位、抓取等自動化應(yīng)用，在起重機械行業(yè)的應(yīng)用潛力非常巨大，前景也十分廣闊[1]。

智能多功能吊具設(shè)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(shè)計時必須具備的。除吊鉤以外，電磁吸盤、抓斗都在不同的應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)的受力計算、演算、模擬，通過詳實的分析和嚴密的邏輯設(shè)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(jié)構(gòu)

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(yīng)屬于廣義的智能機械手范疇。它應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)入手。我們在機械設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)合理，為通常吊鉤的首選截面形狀。而在我們的復合吊鉤設(shè)計中，考慮到與卡爪結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，截面形狀為矩形截面。

概念上的設(shè)計是否滿足機械結(jié)構(gòu)強度需求，需要對設(shè)計結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計曲線梁理論一般化應(yīng)用，利用雙梯形截面計算公式，對設(shè)計的雙鉤結(jié)構(gòu)進行吊鉤受力強度分析，揭示其內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律和危險截面。驗證設(shè)計尺寸符合安全設(shè)計系數(shù)，并指導優(yōu)化設(shè)計尺寸。

圖2 設(shè)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(shè)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(nèi)側(cè)可能受到的最大拉應(yīng)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(shù)；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(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)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(guān)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(shè)計與結(jié)構(gòu)分析[2]。

2 吊夾一體結(jié)構(gòu)中夾持結(jié)合磁吸抓手設(shè)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(yīng)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(guān)節(jié)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(yīng)用時的局限性。它只能在一個維度上Z方向?qū)ξ矬w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(huán)境應(yīng)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(zhì)、工件表面質(zhì)量、抓取環(huán)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(huán)節(jié)，我們采用的設(shè)計方式為抓吸結(jié)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(shè)計夾持功能工作狀態(tài)示意圖

在與磁吸功能的結(jié)合方面，我們對各種磁吸盤的結(jié)構(gòu)進行了分析對照，得出整圓形結(jié)構(gòu)是具有最大單位面積吸力的，但在本復合機構(gòu)中，整圓結(jié)構(gòu)被夾持功能分割為兩部分，如果采用多個小圓形結(jié)構(gòu)單元拼合成一個大的吸盤結(jié)構(gòu)，多個圓形結(jié)構(gòu)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(chǎn)生空洞，從而造成吸附不牢等現(xiàn)象。

根據(jù)機構(gòu)形狀我們采用圓形電永磁吸盤，但簡單的單圓磁吸結(jié)構(gòu)與復合抓手的機械結(jié)構(gòu)相沖突，復合抓手機構(gòu)只能為磁吸結(jié)構(gòu)提供兩個大的半圓區(qū)域。要盡量設(shè)計出大的有效磁吸面積，我們就采用了扇形組合方式。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，主磁體為6個小扇形磁體環(huán)，均勻分布在兩個大扇形上，由此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可逆磁體、線圈、磁極塊等都是扇形結(jié)構(gòu)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(yīng)的是，在勵磁效率相當?shù)那闆r下，采用該扇形內(nèi)部構(gòu)造的圓盤外形機構(gòu)，能產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意

3 總結(jié)

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