液壓重載機械手的結構設計與分析

蔡建春 張濤濤

摘 要：隨著現代工業經濟的快速發展，重型裝備越來越趨于大型化，大型設備的維護保養及輔助生產對工作環境、安全及效率提出了更高的要求。針對礦山領域的重載機器人，國內學者已經進行了多方面的技術研究。近年來，越來越多的企業更加關注磨機作業系統在全生產周期的綜合效能。為解決作業效率、生產安全等問題，中信重工機械股份有限公司開發了一批磨機更換襯板機械手，工程應用需要其具有重載、高可靠性，因此，對機械手結構進行設計與優化研究顯得十分必要。

關鍵詞：液壓重載;機械手;結構設計

引言

現代工業生產的自動化程度不斷提高，逐步與智能化和計算機網絡化管理相結合，機器人有2種，分別是工業機器人和特種機器人，它們在生產中起到的作用不一樣。特種機器人不僅可以處理易燃易爆的物品，而且還可以充當很多軍事偵察兵的角色，從而保護了人類，避免人類自身生命安全受到威脅。

1機械手分類

（1）電力傳動機械手：電力傳動機械手以電力作為使能源驅動。常常以電機（如直流電機、伺服電機等）作為驅動設備，此類機械手具有控制精度高、響應速度快、穩定性高等特點。

（2）液壓傳動機械手：液壓傳動機械手以使用壓縮液體蓄能進行可控制的能量傳遞，由于液壓裝置機械手的強大力、可控性和速度，在工業生產的所有領域也是可控的。其缺點是對液體儲能裝置的密閉險要求極高，一旦發生工作液體泄漏，易造成誤動作和污染事故。若采用液壓油作為傳動介質，由于其對溫度比較敏感，所以需要增加冷卻或加熱裝置，以保證液壓油的工作溫度。

（3）氣壓傳動機械手：氣壓傳動機械手是以壓縮氣體作為動力介質，憑借壓縮氣體所產生的壓力進行能量傳遞和轉換的技術。壓縮氣體通過管道和閥體為驅動系統提供使能，一般通過各種氣動執行元件將壓縮氣體轉換為動能。氣動傳動機械手的優點是成本低、結構簡單、動作相應速度高;它的缺點是工作過程中力矩小、穩定性差，所以氣動傳動機械手目前只適用于輕工粗略控制的生產環境。

（4）機械傳動機械手：機械傳動機械手是以機械結構搭建平臺，直接以機械能的形勢進行控制的一種機械手。其中比較多見的結構有凸輪、齒輪、連桿、齒條和滑桿等，機械傳動機械手的優點在于控制精度高、動作執行可靠。

2液壓重載機械手結構設計

2.1機械手多體動力學分析

為了能夠較為精確地獲取伸縮臂與平擺動電動機連接法蘭面的作用力及彎矩，需對機械手整機進行多體動力學分析。在機械手運行過程中，伸縮外臂的彈性位移對提取作用力、彎矩大小的影響未知，同時，伸縮外臂的彈性位移對關鍵位置液壓缸鉸接處作用力、電動機轉矩大小的影響也未知，從而對設計液壓缸和電動機的性能造成了偏差。因此，利用ADAMS軟件，將機械手整機剛體和剛-柔耦合體分別進行了多體動力學分析。剛體條件下多體動力學分析曲線如圖1所示。提取與伸縮內臂連接缸的鉸接點1和連接小伸縮臂液壓缸的鉸接點2，其在連續運行過程中的受力曲線如圖1（a）所示，鉸接點1的最大作用力為34859N，鉸接點2的最大作用力為27676N;俯仰擺動電動機1、滾擺動電動機2、平擺動電動機3在連續運行過程中的轉矩曲線，電動機1的最大輸出轉矩為27638N·m，電動機2的最大輸出轉矩為28675N·m，電動機3的最大輸出轉矩為39527N·m;伸縮內臂端部豎直方向作用力曲線，此處的最大作用力為48912N;伸縮內臂端部彎矩曲線，最大彎矩為58176N·m。剛-柔耦合多體動力學求解過程示意。求解前，需在ADAMS中將伸縮外臂進行柔性化處理。此時，與伸縮內臂連接缸的鉸接點1和連接小伸縮臂液壓缸的鉸接點2在連續運行過程中的受力曲線，鉸接點1的最大作用力為48876N，絞接點2的最大作用力為30487N;俯仰擺動電動機1、滾擺動電動機2、平擺動電動機3在連續運行過程中的轉矩曲線，電動機1的最大輸出轉矩為29645N·m，電動機2的最大輸出轉矩為28917N·m，電動機3的最大輸出轉矩為45287N·m;伸縮內臂端部豎直方向作用力曲線，此處的最大作用力為73189N;伸縮內臂端部彎矩曲線，最大彎矩為99319N·m。剛體模型與剛-柔耦合模型仿真計算過程中，鉸接點力及各電動機轉矩的變化趨勢基本一致，但后者數值變化具有波動，更符合實際設備運行情況。剛-柔耦合模型均較剛性體模型的計算結果大，其中，只有滾擺動電動機2的轉矩值較為接近。由此可以說明伸縮外臂的彈性變形對機械手各關鍵液壓缸、電動機的受載影響不可忽視。

2.2伸縮內臂有限元分析

在支撐輥式和滑軌式2種伸縮內臂模型中，各部件的材料屬性：彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為690MPa。為了提高計算效率，忽略了由于伸縮內臂與伸縮外臂連接方式不同造成剛-柔耦合計算時作用力F和彎矩T的誤差。支撐輥式伸縮內臂部件的網格均采用四面體單元劃分。在伸縮內臂左側端面上分別施加力F和彎矩T，根據多體動力學剛-柔耦合計算分析可得F=73189N，T=99319N·m。對支撐輥內圓施加固定約束，伸縮內臂右側孔約束除孔軸旋轉以外的自由度。支撐輥和臂之間設置接觸關系，摩擦因數取0.15。伸縮內臂與支撐輥接觸位置的應力為1200MPa，應力值遠大于材料屈服強度690MPa。因此，該結構不能滿足正常使用要求。在伸縮內臂左側端面上分別施加力F和彎矩T，根據多體動力學剛-柔耦合計算F=73189N，T=99319N·m。將大臂與轉臺鉸接的孔及大臂與俯仰直線缸鉸接孔施加固定約束，伸縮內臂和滑塊之間設置接觸關系，摩擦因數取0.15。內臂支撐滑塊處最大等效應力為410MPa，小于材料屈服強度690MPa;最小安全系數為1.68，大于設計最小安全系數標準值1.5，滿足設計要求。通過對支撐輥式和滑軌式伸縮內臂進行有限元分析可知，滑軌式結構較支撐輥式能大幅降低集中應力值，是一種較為合理的設計方案。

結語

剛體模型與剛-柔耦合模型仿真計算過程中，鉸接點力及各電動機轉矩的變化趨勢基本一致，但后者數值變化具有波動，更符合實際設備運行情況。剛-柔耦合模型均較剛性體模型的計算結果大，其中，只有滾擺動電動機2的轉矩值較為接近。說明伸縮外臂的彈性位移對機械手各關鍵液壓缸、電動機的受載影響不可忽視，剛-柔耦合模型仿真分析可為進一步設計液壓缸、電動機提供參考?；壥浇Y構較支撐輥式結構能大幅降低集中應力值，是一種較為合理的設計方案。

參考文獻：

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