蔡建春 張濤濤

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重型裝備越來(lái)越趨于大型化，大型設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)及輔助生產(chǎn)對(duì)工作環(huán)境、安全及效率提出了更高的要求。針對(duì)礦山領(lǐng)域的重載機(jī)器人，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了多方面的技術(shù)研究。近年來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)更加關(guān)注磨機(jī)作業(yè)系統(tǒng)在全生產(chǎn)周期的綜合效能。為解決作業(yè)效率、生產(chǎn)安全等問題，中信重工機(jī)械股份有限公司開發(fā)了一批磨機(jī)更換襯板機(jī)械手，工程應(yīng)用需要其具有重載、高可靠性，因此，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究顯得十分必要。

關(guān)鍵詞：液壓重載;機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不斷提高，逐步與智能化和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理相結(jié)合，機(jī)器人有2種，分別是工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，它們?cè)谏a(chǎn)中起到的作用不一樣。特種機(jī)器人不僅可以處理易燃易爆的物品，而且還可以充當(dāng)很多軍事偵察兵的角色，從而保護(hù)了人類，避免人類自身生命安全受到威脅。

1機(jī)械手分類

（1）電力傳動(dòng)機(jī)械手：電力傳動(dòng)機(jī)械手以電力作為使能源驅(qū)動(dòng)。常常以電機(jī)（如直流電機(jī)、伺服電機(jī)等）作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，此類機(jī)械手具有控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

（2）液壓傳動(dòng)機(jī)械手：液壓傳動(dòng)機(jī)械手以使用壓縮液體蓄能進(jìn)行可控制的能量傳遞，由于液壓裝置機(jī)械手的強(qiáng)大力、可控性和速度，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域也是可控的。其缺點(diǎn)是對(duì)液體儲(chǔ)能裝置的密閉險(xiǎn)要求極高，一旦發(fā)生工作液體泄漏，易造成誤動(dòng)作和污染事故。若采用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，由于其對(duì)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(dòng)機(jī)械手：氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮氣體作為動(dòng)力介質(zhì)，憑借壓縮氣體所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。壓縮氣體通過管道和閥體為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供使能，一般通過各種氣動(dòng)執(zhí)行元件將壓縮氣體轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作相應(yīng)速度高;它的缺點(diǎn)是工作過程中力矩小、穩(wěn)定性差，所以氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械手目前只適用于輕工粗略控制的生產(chǎn)環(huán)境。

（4）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手是以機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建平臺(tái)，直接以機(jī)械能的形勢(shì)進(jìn)行控制的一種機(jī)械手。其中比較多見的結(jié)構(gòu)有凸輪、齒輪、連桿、齒條和滑桿等，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)在于控制精度高、動(dòng)作執(zhí)行可靠。

2液壓重載機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手多體動(dòng)力學(xué)分析

為了能夠較為精確地獲取伸縮臂與平擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接法蘭面的作用力及彎矩，需對(duì)機(jī)械手整機(jī)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析。在機(jī)械手運(yùn)行過程中，伸縮外臂的彈性位移對(duì)提取作用力、彎矩大小的影響未知，同時(shí)，伸縮外臂的彈性位移對(duì)關(guān)鍵位置液壓缸鉸接處作用力、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大小的影響也未知，從而對(duì)設(shè)計(jì)液壓缸和電動(dòng)機(jī)的性能造成了偏差。因此，利用ADAMS軟件，將機(jī)械手整機(jī)剛體和剛-柔耦合體分別進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)分析。剛體條件下多體動(dòng)力學(xué)分析曲線如圖1所示。提取與伸縮內(nèi)臂連接缸的鉸接點(diǎn)1和連接小伸縮臂液壓缸的鉸接點(diǎn)2，其在連續(xù)運(yùn)行過程中的受力曲線如圖1（a）所示，鉸接點(diǎn)1的最大作用力為34859N，鉸接點(diǎn)2的最大作用力為27676N;俯仰擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、滾擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)2、平擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)3在連續(xù)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩曲線，電動(dòng)機(jī)1的最大輸出轉(zhuǎn)矩為27638N·m，電動(dòng)機(jī)2的最大輸出轉(zhuǎn)矩為28675N·m，電動(dòng)機(jī)3的最大輸出轉(zhuǎn)矩為39527N·m;伸縮內(nèi)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(nèi)臂端部彎矩曲線，最大彎矩為58176N·m。剛-柔耦合多體動(dòng)力學(xué)求解過程示意。求解前，需在ADAMS中將伸縮外臂進(jìn)行柔性化處理。此時(shí)，與伸縮內(nèi)臂連接缸的鉸接點(diǎn)1和連接小伸縮臂液壓缸的鉸接點(diǎn)2在連續(xù)運(yùn)行過程中的受力曲線，鉸接點(diǎn)1的最大作用力為48876N，絞接點(diǎn)2的最大作用力為30487N;俯仰擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、滾擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)2、平擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)3在連續(xù)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩曲線，電動(dòng)機(jī)1的最大輸出轉(zhuǎn)矩為29645N·m，電動(dòng)機(jī)2的最大輸出轉(zhuǎn)矩為28917N·m，電動(dòng)機(jī)3的最大輸出轉(zhuǎn)矩為45287N·m;伸縮內(nèi)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(nèi)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(jì)算過程中，鉸接點(diǎn)力及各電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)基本一致，但后者數(shù)值變化具有波動(dòng)，更符合實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況。剛-柔耦合模型均較剛性體模型的計(jì)算結(jié)果大，其中，只有滾擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)矩值較為接近。由此可以說(shuō)明伸縮外臂的彈性變形對(duì)機(jī)械手各關(guān)鍵液壓缸、電動(dòng)機(jī)的受載影響不可忽視。

2.2伸縮內(nèi)臂有限元分析

在支撐輥式和滑軌式2種伸縮內(nèi)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(qiáng)度為690MPa。為了提高計(jì)算效率，忽略了由于伸縮內(nèi)臂與伸縮外臂連接方式不同造成剛-柔耦合計(jì)算時(shí)作用力F和彎矩T的誤差。支撐輥式伸縮內(nèi)臂部件的網(wǎng)格均采用四面體單元?jiǎng)澐帧Ｔ谏炜s內(nèi)臂左側(cè)端面上分別施加力F和彎矩T，根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)剛-柔耦合計(jì)算分析可得F=73189N，T=99319N·m。對(duì)支撐輥內(nèi)圓施加固定約束，伸縮內(nèi)臂右側(cè)孔約束除孔軸旋轉(zhuǎn)以外的自由度。支撐輥和臂之間設(shè)置接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.15。伸縮內(nèi)臂與支撐輥接觸位置的應(yīng)力為1200MPa，應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度690MPa。因此，該結(jié)構(gòu)不能滿足正常使用要求。在伸縮內(nèi)臂左側(cè)端面上分別施加力F和彎矩T，根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)剛-柔耦合計(jì)算F=73189N，T=99319N·m。將大臂與轉(zhuǎn)臺(tái)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(nèi)臂和滑塊之間設(shè)置接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.15。內(nèi)臂支撐滑塊處最大等效應(yīng)力為410MPa，小于材料屈服強(qiáng)度690MPa;最小安全系數(shù)為1.68，大于設(shè)計(jì)最小安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)支撐輥式和滑軌式伸縮內(nèi)臂進(jìn)行有限元分析可知，滑軌式結(jié)構(gòu)較支撐輥式能大幅降低集中應(yīng)力值，是一種較為合理的設(shè)計(jì)方案。

結(jié)語(yǔ)

剛體模型與剛-柔耦合模型仿真計(jì)算過程中，鉸接點(diǎn)力及各電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)基本一致，但后者數(shù)值變化具有波動(dòng)，更符合實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況。剛-柔耦合模型均較剛性體模型的計(jì)算結(jié)果大，其中，只有滾擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)矩值較為接近。說(shuō)明伸縮外臂的彈性位移對(duì)機(jī)械手各關(guān)鍵液壓缸、電動(dòng)機(jī)的受載影響不可忽視，剛-柔耦合模型仿真分析可為進(jìn)一步設(shè)計(jì)液壓缸、電動(dòng)機(jī)提供參考?；壥浇Y(jié)構(gòu)較支撐輥式結(jié)構(gòu)能大幅降低集中應(yīng)力值，是一種較為合理的設(shè)計(jì)方案。

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