一種鋼筋抓剪末端執行器的設計與分析

王春榮，夏爾冬，黃仕鑒，何天仁，王義惠

（1.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000；2.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004）

鋼筋是我國基礎建設的重要材料，在鋼筋的使用或加工過程中，需要對鋼筋進行切斷，以滿足使用需求，例如，鋼筋生產過程中鋼筋的首位兩端具有一定的變形，需對其進行剪切；或對其定長剪切。現有的鋼筋剪斷裝置，不能同時實現抓取與剪切的功能，常見的操作主要是通過人工抓取，然后根據所需的長度進行剪切，這樣的操作煩瑣、效率低下，且存在一定的安全隱患。因此，本文設計了一種具有抓取與剪切功能為一體的新型末端執行器，能快速地完成單一的抓取任務、剪切任務以及抓取與剪切同時完成的任務，提高了作業效率。同時對所設計的關鍵零部件進行了靜力學分析，結果表明，所設計的末端執行器合理，具有一定的應用前景。

1 抓剪末端執行器的設計

1.1 末端執行器大臂設計

末端執行器大臂包括受力板、大臂支架、液壓缸、活塞桿、滾動軸承、銷軸。受力板與底座的轉動軸承固定連接，轉動軸承帶動受力板進行旋轉運動。受力板和大臂支架用銷軸進行連接，銷軸與大臂支架側邊裝配上滾動軸承，液壓缸底部連接在受力板側邊的。活塞桿一端連接著液壓缸，一端連接著主體支架并且與銷軸和滾動軸承配合，如圖1 所示。

圖1 大臂三維模型

采用活塞桿與轉動銷軸、滾動軸承的連接方式，使得大臂在承受承載力的同時，依然保持一定的自由度，能夠在一定范圍內能夠進行俯仰運動。當液壓缸內的液體推動活塞桿向上運動時，手臂支架呈現仰起運動；當液壓缸內的液體推動活塞桿向下運動時，手臂支架呈現俯向運動。

1.2 末端執行器小臂設計

末端執行器小臂由兩個液壓缸、兩個活塞桿、小臂支架組成。一對液壓缸、活塞桿連接大臂支架，另外一對液壓缸、活塞桿連接著手腕支架。小臂是承擔連接大臂與末端抓取部件的作用，兩對液壓缸、活塞桿的往復運動可以改變小臂以及末端抓取部件的俯仰方向，如圖2 所示。

圖2 小臂三維模型

1.3 末端執行器抓取機構設計

抓取機構是抓剪末端執行器的核心部件，將末端執行器與機械臂對接時，通過機械臂將末端執行器的抓取、剪切部分移動到指定位置后對鋼筋進行抓取與剪切。抓剪末端執行器的抓取方式采用雙液壓缸控制的驅動方式進行抓取。夾取部件包括夾爪和夾緊塊、液壓缸、液壓活塞桿、油缸活塞蓋、銷軸、銷釘套、銷釘截套、主體支架組成。抓取部件以主體支架為中心，采用銷軸分別將左右夾爪與主體支架連接，使夾爪保留一定范圍內的自由度，可以讓夾爪以銷軸為中心進行一定角度內的旋轉運動。在抓取和裝夾過程中，為了防止鋼筋等滑脫，在夾爪的中間增加了夾緊塊設計，增大了鋼筋與夾爪之間的阻力。

抓取機構通過液壓缸提供源動力，抓取機構爪部的張開、閉合動作都是由液壓缸中的液體推動活塞桿運動而實現的。抓剪末端執行器抓取機構張開時，夾爪側邊的液壓缸推動著活塞桿向主體支架側邊的液壓缸移動；抓剪末端執行器抓取機構閉合時，主體支架側邊的液壓缸推動著活塞向夾爪側邊的液壓移動，具體如圖3 所示。

圖3 抓取部件

1.4 末端執行器剪切機構設計

剪切機構是抓剪末端執行器對鋼筋進行抓取和裝夾之后的操作的執行部件，是能夠將鋼筋進行剪切、剪斷的執行部件，其主要由剪刃、連桿機構和液壓缸等部件構成，如圖4 所示。

圖4 剪切機構

本文設計的末端執行器整體三維圖如圖5 所示，其具有抓取與剪切兩種功能。當末端執行器只完成抓取鋼筋任務時，可通過控制剪切機構張開，然后利用抓取機構完成抓取任務；當末端執行器要完成剪切任務時，可通過控制抓取機構張開，然后利用剪切機構完成剪切任務；此外，末端執行器可通過夾取機構夾取較長的鋼筋，并完成部分剪斷任務。

圖5 末端執行器整體三維圖

2 抓關鍵零部件的靜力學分析

剪刃是末端執行器受力最大的零部件，因此有必要對其進行靜力學分析，驗證設計的合理性。本文利用SolidWorks 的靜力學分析插件對其進行受力分析，定義材料為結構鋼，其泊松比為0.28，屈服強度為620MPa。根據實際工況要求，令剪刃口受力為5KN，對其進行受力分析，得到的最大等效應力云圖與最小安全系數如圖6 所示。

圖6 最大等效應力與安全系數原圖

從圖6 中可以發現，剪刃執行剪切任務時受到的最大等效應力為451.7MPa，最小安全系數為1.373，最大等效應力小于屈服強度，最小安全系數大于1，即表明本文設計的剪刃是合理的。

3 結語

鋼筋是基礎建設中不可或缺的重要材料，其在使用時常常需要抓取與剪切。本文設計了一種可以完成抓取、剪切以及抓剪一體的新型末端執行器，其主要包括大臂、小臂、抓取機構以及剪切機構等，并分析了其執行抓剪任務時的工作原理。通過SolidWorks 軟件的靜力學插件對其剪刃進行了靜力學分析，驗證了設計的合理性。本文的設計可提高鋼筋的抓剪效率，節約了勞動成本，具有較好的應用價值。