架管機的機械手爪優化分析

宋和義，王 雷，胡 聰，鄧海順,2

1安徽理工大學機械工程學院 安徽淮南 232001

2安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001

煤礦巷道架管安裝工作大部分仍以人工為主，導致架管效率低下，難以高效地完成巷道高強度的架管需求。目前，國內外尚無成熟的專門應用于煤礦巷道的輔助安裝設備，尤其針對兩淮復雜地質環境的輔助安裝設備。有鑒于此，筆者設計了一種煤礦巷道管道輔助安裝機械設備——架管機，并對其核心部件機械手爪進行了優化。近年來，國內學者對機械手爪進行了大量研究工作，在手爪設計[1]、建模仿真[2]和結構優化[3]等方面進行了較為深入的研究。唐瑞等人[4]給出了一種欠驅動手爪 SARAH，該手爪能夠獲得人手的抓取效果，但自由度較少，控制復雜。王建軍[5]設計了一種由電磁閥控制氣缸運動，實現夾緊的搬運機械手爪，但該手爪只能單向直線運動，且只能適用于特定環境下圓柱形試管的抓取，在煤礦巷道狹小的環境下無法穩定工作。李坤嶺等人[6]進行了基于 ADAMS 機械爪手的方案評選與優化設計，但所設計手爪對抓取物體尺寸有嚴格的限制，適應性差。依據上述有關機械手爪的研究現狀，結合架管機的工作要求，筆者對架管機機械手夾爪和被連接件進行了多目標設計優化，改進了機械手爪結構，并完成了對架管機機械手爪的理論和動態分析。

1 工作原理

機械手抓如圖 1 所示。機械手爪由雙向液壓缸控制，其兩端分別與左右夾爪鉸鏈連接，控制夾爪的開合。而機械手爪外殼用來定位和支撐夾爪，其上端與調角液壓桿鉸鏈連接，并與機械手爪的橫軸連接。當調角液壓缸伸縮的時候，會使外殼帶動夾爪繞夾管器橫軸轉動，可調節夾爪的張開角度。架管機放置架提升會帶動夾爪升高，實現指定高度下的架管。在機械手爪的左右夾爪上開有向里凹陷的槽，使內夾套能夠安裝在夾爪內，通過更換不同厚度的內夾套，可大大提高機械手爪的適應性。在內夾套的結構上設有突出部分，當內夾套剛好夾緊管道的時候，2 個內夾套的突出部分就會接觸，阻止夾爪繼續夾緊管道，避免過度夾緊。

圖1 機械手爪Fig.1 Sketch of manipulator

2 機械手爪結構優化

2.1 優化參數的選擇

在保證手爪的應力不超過材料的許用應力，又保證手爪末端夾持部位的位移小于 0.1 mm 的條件下，對手爪構件壁厚進行優化。選定手爪的外殼、左右夾爪、內夾套厚度為手爪優化的設計變量，以整體質量為優化目標，以最大位移和最大許用應力為約束條件，建立約束函數

式中：m(xi)為迭代函數；i為各構件編號；xi為機械各構件厚度；f為最大形變位移；σmax為材料最大許用應力。

對液壓缸可伸縮活塞桿施加驅動力、內夾套在施加管件重力作用下進行迭代優化，得到機械手爪各構件厚度的靈敏度柱狀圖，如圖 2 所示。

圖2 機械手爪靈敏度Fig.2 Sensitivity of manipulator

靈敏度分析可以確定哪些構件壁厚對機械系統有較大影響，正靈敏度表示構件壁厚與優化參數成正相關關系[7]。由圖 2 可知，與機械手爪的外殼和內夾套相比，左右夾爪厚度對機構的最大應力、最大位移、質量均有較大影響。按約束函數對機械結構進行 5 次迭代后，得到機構總位移(如圖 3 所示)、參數響應曲面及機構應力云圖(如圖 4、5 所示)。由圖 3 可知，機構總位移＜0.1 mm，滿足機構的實際工況使用要求。由圖 4 可知，夾爪在壁厚變化過程中最大等效應力為 34.5 MPa，遠遠小于材料的許用應力，存在較大的優化空間。圖 5 所示為機械手爪所受的驅動力為820 N 時的機構應力分布圖，最大應力發生在手爪夾持機構的中間部位，其位移量很小，足以完成管道的夾持工作。

圖3 機構總位移Fig.3 Overall deformation of mechanism

圖4 參數響應曲面Fig.4 Parametric response surface

圖5 機構應力云圖Fig.5 Stress contours of mechanism

迭代優化后，得到各構件壁厚的優化數據，如表1 所列。

表1 主要構件壁厚的優化數據Tab.1 Optimization data of wall thickness of main parts

由表 1 可知，優化設計后機械手爪最大位移量為 0.007 55 mm，小于手爪材料的最大許用位移量 0.1 mm，滿足設計安全要求。質量由原來的 58 kg 減少為45 kg，質量比之前減少了 22.4%，節約了材料，方便在煤礦巷道運輸與拆卸。

2.2 計算分析

左右夾爪工況相同，為了簡化優化流程和減少參數選取的復雜度，取手爪裝置左半部分的左夾爪為研究對象。左夾爪機構主要由液壓缸、可伸縮活塞桿、連桿和 V 形夾塊等組成，受力分析如圖 6 所示。機械手爪主要用于夾持煤礦巷道通風管道，手爪在夾持過程中受到液壓缸驅動力作用，對管道接觸面產生壓力Fn1和Fn2。當機械手爪處于夾緊狀態時，管道與手爪之間會產生靜摩擦力Ff，Ff=mg=2μFn1。取摩擦因數μ=0.15，手爪兩側對稱，通過計算可得手爪的夾持力Fn1=Fn2=980 N。將理論計算數據與動力學軟件仿真數據進行對比，校核設計的夾持裝置是否達到所需夾持力要求。

圖6 夾爪受力示意Fig.6 Force sketch of gripper

由圖 6 可知

式中：F為液壓缸的驅動力；F1、F2分別為驅動力F沿連桿方向的分力。

分別對鉸點O1和O2取矩，求出F1和F2。考慮到結構的左右對稱性，取右側為研究對象進行分析，對O2點取矩計算后可得

聯立式(2)、(3)，整理可得

夾取工件時，α≈34°，a＝258 mm，b＝180 mm。代入式(4)可得F＝752 N。

3 仿真驗證

根據煤礦實際工況添加運動副和約束，在ADAMS 中建立手爪動力學仿真模型，如圖 7 所示。取機械手爪夾持直徑為 200 mm 通風管時為研究對象，在手爪與工件接觸處施加與夾持力Fn1，Fn2大小相等的，方向相反的力Fn1′和Fn2′進行仿真計算。仿真結果顯示，在可伸縮活塞桿處測量驅動力F′，F′與液壓缸完成抓取動作所需要的驅動力F大小相等，即由 ADAMS 軟件得到動力仿真數據F′=751.6 N。由動力仿真可知理論計算數據和仿真結果差值很小，在允許誤差范圍之內，所以手爪結構能夠滿足在煤礦巷道對通風管的抓取要求。

圖7 手爪動力學仿真模型Fig.7 Dynamic simulation model of manipulator

在不改變結構的前提下，手爪尺寸變化過程中驅動力F越小越好，由式(4)可知α和θ影響F的大小。而由夾爪受力簡圖 6 可知，變量α和θ均與連桿之間的鉸接點D點的坐標有關，所以將D點坐標(x，y)作為優化設計變量，建立對F的測量，同時對結構中α和θ進行測量，以觀察 2 個角度優化前后的變化情況。利用 ADAMS 優化設計功能模塊，對機構進行設計分析，得到驅動力優化軌跡，如圖 8 所示。機構優化前后參數對比如表 2 所列。

圖8 驅動力優化軌跡Fig.8 Optimal trajectory of drive force

表2 機構優化前后參數對比Tab.2 Comparison of parameters before and after mechanism optimization

由表 2 可以看出，經優化設計后，a由 35.8°改變為 39.9°，θ由 75.4°改變為 79.2°，驅動力F由751.6 N 改變為 622.3 N，驅動力減少了 17.2%，達到機械手爪在滿足使用要求的前提下使驅動力盡量小的目的。

4 結語

通過對架管機機械手爪進行有限元分析和仿真驗證，得出如下結論。

(1)機械手爪的左右夾爪是整個機構的薄弱環節，在此基礎上對構件壁厚進行結構優化，優化后的結果滿足實際工況要求，且手爪質量減輕了 13 kg。

(2)在一定范圍內，增大夾爪連桿之間的夾角，有利于減少液壓缸驅動力，改善機械手爪的傳力性能，最終優化結果實現驅動力較優化前節省了 17.2%。

(3)以 ANSYS 靈敏度分析為基礎，確定影響手爪動態性能靈敏度較大的參數為左右夾爪厚度，機械手爪的最大應力值隨著夾爪厚度的增大而減小。