便攜式彈丸抓取裝置設計與仿真分析

梁燕，劉飛航，劉玉璽

便攜式彈丸抓取裝置設計與仿真分析

梁燕1，劉飛航2，劉玉璽1

（1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.西南技術工程研究所，重慶 400039）

對具有彈頭抓取結構的彈丸在包裝筒或發射位無法安全、便捷抓取問題，設計一種便攜式抓取結構來達到抓取可靠、取出順利、取出過程安全的目的。通過對具有彈頭抓取結構的彈丸外觀進行分析，并對操作環境進行研究，通過對機械結構進行設計，實現便攜抓取結構與彈丸有效匹配。抓取動作完成后，通過聯動結構進行自鎖，保證工作過程安全，在抓取動作完成后解除自鎖。操作過程無沖擊，安全可靠。最后通過三維建模及仿真分析，對所設計的結構進行優化。設計出了便攜式彈丸抓取結構，實現外徑<115 mm，負載<30 kg彈丸抓取過程的安全操作。驗證了通過便攜抓取結構實現彈丸抓取的可行性，為同類產品的取出方法提供了參考。

彈丸；便攜；抓取；仿真分析

隨著火炮技術的發展，傳統的人工裝填彈丸及發射藥的方式已經逐漸不能適應現代戰爭環境，自動裝填技術將在未來的炮兵作戰方式中越來越普遍。對于迫擊炮而言，炮口裝彈的方式在自動裝填作業后，如果需要將彈丸從炮膛內取出，或者需要將彈丸從包裝筒內取出。此時由于包裝筒或炮膛內的操作空間小，無法人工直接從包裝筒或炮膛內將彈丸取出，如果采用人工取出的方式，可能導致彈丸取出過程中由于抓取不牢或打滑導致彈丸在取出過程中滑落而產生安全隱患。

研究自動裝填迫擊炮彈丸從炮膛內或包裝筒內取出的抓取裝置，解決彈丸取出危險性大、操作效率低的問題，實現通過便攜式裝置使彈丸安全、快速抓取，這是目前急需完成的重要工作之一，具有重要的現實意義[1]。

綜上所述，為有效解決彈丸從炮膛內或包裝筒內取出可能帶來的安全問題[2]，文中通過對作業環境和目標彈丸的結構進行分析[3]，實現一種機械結構的抓取裝置設計，并通過仿真軟件對抓取裝置的薄弱部位進行仿真，以驗證設計的合理性，為同類裝置的設計提供參考。

1 作業環境及匹配位置分析

取出彈丸時，需要從包裝筒或炮膛內將彈丸沿軸向方向從下往上提出，作業過程在與彈丸直徑匹配的圓柱形空間內完成，除彈頭部位外，彈身及彈尾全部與包裝筒或炮膛貼合，無法形成有效受力點，普通夾取裝置無法有效形成夾持。作業的空間狹小，夾取部位尺寸小。

從彈丸結構來看，除彈頭外，其余部位全部與包裝筒內壁或炮膛內壁接觸，無法有效操作。彈頭部位為錐形結構，外表光滑，除彈頂部位的凹槽外，無法有效實現固定抱緊動作。唯一可夾持的結構見圖1。操作環境均為野外環境，裝備配備要求盡量簡化，因此對抓取結構使用的便捷性要求較高[4-7]。當從包裝筒內或炮膛內取出時，要防止彈丸在取出過程中出現滑落，導致安全事故發生[8-9]，因此要求抓取結構安全性高。根據上述分析情況，彈丸抓取裝置的設計特征見表1。

圖1 彈體結構

表1 彈丸抓取裝置特征

Tab.1 Characteristics of projectile grasping device

2 結構設計

2.1 設計要求

從彈丸的作業環境及匹配位置分析可知，抓取裝置唯一的作用點為彈頭部位的錐面及錐面上的凹槽，因此設計時需要緊貼這2個作用位置展開，同時需考慮抓取結構的體積盡量小、可靠性盡量高、安全性盡量高、抓取過程無沖擊等[10]條件。將表1中的設計特征轉化為設計參數，體現在結構設計方面的具體情況見表2。

表2 彈丸抓取裝置實現方式

Tab.2 Realization mode of projectile grasping device

2.2 設計方案

根據抓取目標特征及設計要求的條件，設定抓取裝置主要結構為輕質金屬材料加工而成的圓柱狀，最大外徑＜115 mm，負載＜30 kg，整體結構為帶自鎖功能的聯動結構，抓取最大行程為18 mm，整體質量＜3 kg，裝置內的預置動作由彈簧實現，抓取臂凸起根據抓取目標特征尺寸設計。為保證安全性，結構整體禁止使用帶有電流、重力沖擊、易產生靜電等存在安全隱患的設計思路或材料。由此確定的具體設計方式如下所述。

2.2.1 抓取臂設計

抓取裝置通過彈頭外形定位及凹槽匹配定位方式實現。通過對彈頭外形的徑向尺寸、軸向尺寸、錐度等進行分析，將各具體尺寸在匹配部位實現，為防止過定位，在徑向尺寸預留配合間隙，有效保證與外形完美配合。通過對凹槽形狀、斜度、受力部位抓入深度等進行分析，將各具體尺寸在匹配部位實現，同時考慮抓取臂徑向釋放、鎖死距離，完成抓取臂設計[14]。

2.2.2 聯動結構設計

為減輕抓起沖擊，同時考慮抓取臂活動空間，采用抓取臂人工解鎖和鎖定的方式實現。軸向方向采用圓柱壓縮彈簧，實現抓取裝置外殼與限位體的相對運動；抓取臂與限位體采用徑向圓柱壓縮彈簧實現抓取、釋放動作[15]。

2.2.3 鎖緊結構設計

為在有限空間內實現可靠鎖緊，將鎖緊結構與外殼合并設計。在外殼下部接近抓取臂的部位設計限位臺階，通過尺寸計算實現解鎖、自鎖功能，既能保證功能有效，又能保證結構簡單，間接保證較高的可靠性。

2.2.4 適應性

為保證同口徑彈丸在不同包裝筒、炮膛內能有效通用，將手柄與本體的連接設計為便捷拆卸的螺紋連接方式，在對不同深度的彈丸進行抓取時，能快速實現匹配性切換，節約切換時間，實現通用性。

2.2.5 材料選取

便攜式彈丸抓取裝置采用柔性和剛性兼并的組合化設計思路。柔性模塊選用彈簧結構，通過動作過程的壓縮和釋放，起到剛性結構動作和復位的作用。剛性模塊采用強度高、質量小、加工性能好的棒料鋁合金材料6061-T4，以便為產品提供剛性支撐。

2.3 總體結構實現及工作原理說明

通過上述各功能的設計思路及實現方式，對具體結構進行設計，具體的結構實現方案見圖2。

工作原理：手柄、中心體組件與殼體組件之間通過彈簧預緊力和手部施加的外力形成相對運動；未抓取和抓取完成時，2個組件處于圖2所示狀態，抓取臂通過殼體組件內腔達到結構性鎖定狀態；抓取動作執行時，手柄、中心體組件與殼體組件產生軸向相對運動，運動方向為相向運動，此時抓取臂的鎖定狀態接觸，抓取臂張開，使抓取目標可進入手柄、中心體內部；抓取動作完成后，手部提拉手柄，抓取目標重量全部集中在手柄、中心體組件處，并與抓取臂、殼體組件形成鎖定，完成抓取后的提拉動作。

圖2 抓取裝置設計

手柄、殼體組件、中心體、抓取臂采用鋁合金材料加工成型，其中抓取臂、中心體、殼體組件在裝配后形成聯動機構，既實現對抓取目標的抓取，又防止抓取目標出現脫落、松動，實現在抓取過程處于絕對安全狀態。

3 仿真分析

整個抓取及取出過程主要為彈丸自重傳遞到抓取臂上的力。考慮到操作過程的接觸及輕微加速，設置一定的系數，設定彈丸質量為30 kg。利用三維建模軟件NX 12.0對所設計抓取裝置建立模型，并進行模擬裝配，驗證所設計各構件裝配關系合理，滿足抓取、自鎖要求。

3.1 行程分析

用三維建模軟件NX 12.0的運動仿真功能對抓取動作的抓取位置和釋放位置進行運動仿真。根據工作活動范圍需求，將殼體與限位體之間的運動距離設置為18 mm，運動速度設定為2 mm/s，運動時間設定為9 s，通過運動仿真可知，鎖定狀態見圖3，打開狀態見圖4。運動過程的時間-行程關系見圖5。由行程分析結果可知，當殼體與限位體之間的距離為18 mm時，裝置能有效實現抓取與釋放。

3.2 受力分析

用三維建模軟件NX 12.0的高級仿真功能對裝置的薄弱部位抓取臂進行力學仿真。設定彈丸質量為30 kg。設定受力方向為?軸方向，轉軸中心設置固定約束。根據結構設計情況，抓取臂有4個，每個抓取臂受力7.5 kg，即每個抓取臂上受力約為75 N。根據抓取臂匹配部位的傾斜角度，匹配部位與水平正方向夾角為22°，因此垂直方向的受力在抓取結構中會產生軸向和徑向2個方向的受力。軸向方向受力點在抓取臂匹配部位，徑向受力可完全由材料承受，僅在軸向方向抓取臂匹配薄弱部位存在失效隱患，因此在受力仿真分析時，主要對軸向方向的受力進行仿真分析。選取材料為棒料鋁合金6061-T4，材料的力學性能見表3。

圖3 鎖定狀態

圖4 打開狀態

圖5 時間-行程曲線

表3 6061鋁合金棒材尺寸及力學性能

Tab.3 Dimensions and mechanical properties of 6061 aluminum alloy bars

產品受力狀態時的應力云圖和變形云圖見圖6—7。從圖6—7可知，在抓取臂的凸起部位的應力和變形最大，最大應力為8.789 MPa，最大變形量為0.4 μm。抓取臂采用的棒料鋁合金6061-T4的抗拉強度為180 MPa，抓取臂的結構能夠滿足要求。通過對模型進行受力仿真分析發現，自動裝填彈丸抓取結構設計合理可行。

圖6 抓取臂應力云圖

圖7 抓取臂變形云圖

3.3 安全性分析

在整個抓取行程中，抓取臂薄弱部位的最大應力為8.789 MPa，最大變形量為0.4 μm，結構選用的棒料鋁合金6061-T4的抗拉強度為180 MPa，徑向受力完全由殼體組件承受，因此操作過程中不會出現由于結構件失效導致的抓取目標脫落安全隱患。裝置內部采用聯動結構，4個圓周方向均布的抓取臂與抓取目標通過凹凸結構實現完全限位，抓取臂在實現抓取動作后，徑向由殼體組件實現完全限位，軸向通過中心體與手柄實現剛性連接，不會出現因軸向受力的分力導致抓取臂限位失效的情況。裝置外徑為110 mm，不會存在裝置卡死隱患。整體結構為機械結構，未使用電動、氣動裝置，不會發生因靜電釋放導致的安全隱患，裝置由人工手持放入，不會發生因沖擊導致的安全隱患，因此文中所設計的便攜式彈丸抓取裝置能夠完全保證操作的安全性。

4 結語

對自動裝填彈丸抓取結構設計和綜合性能進行了研究，主要開展了作業環境及匹配位置分析、結構設計，并通過NX 12.0仿真軟件對自動裝填彈丸抓取結構進行仿真分析。由仿真結果可知，所設計的自動裝填彈丸抓取結構在功能上考慮了使用過程中的安全性、便攜性、可靠性、抓取沖擊，能夠為自動裝填彈丸的抓取提供設計和數據參考。

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Design and Simulation Analysis of Portable Projectile Grasping Device

LIANG Yan1, LIU Fei-hang2, LIU Yu-xi1

(1.Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; 2.Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to design a portable grasping structure to achieve the purpose of reliable grasping, smooth taking-out and safe fetching-out, so as to solve the problem that the projectile with warhead grasping structure cannot be grasped safely and conveniently in the packing or launching position. The appearance of the projectile with the warhead grasping structure was analyzed, the operating environment was studied, and the mechanical structure was designed to realize the effective matching between the portable grasping structure and the projectile. After the grasping action was completed, the linkage structure was used for self-locking to ensure the safety of the working process. Then, the self-locking was released after the completion of grasping action. The operation process had no impact and was safe and reliable. Finally, the designed structure was optimized through 3D modeling and simulation analysis. A portable projectile grasping structure was designed, which completely realized the safe grasping process of projectiles with outer diameter < 115 mm and load < 30 kg. The feasibility of projectile grasping by portable grasping structure is proved, which provides a reference for the extraction method of similar products.

projectile; portable; grasp; simulation analysis

TB486

A

1001-3563(2022)05-0227-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.031

2021-06-05

重慶市教育委員會科學技術研究項目（KJQN201903407）

梁燕（1984—），女，碩士，重慶工程職業技術學院講師，主要研究方向為結構設計。

劉飛航（1983—），男，西南技術工程研究所副高級工程師，主要研究方向為工藝設備。