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      架管機的機械手爪優(yōu)化分析

      2020-04-26 09:40:28宋和義鄧海順
      礦山機械 2020年4期
      關鍵詞:管機手爪驅動力

      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(huán)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(yōu)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(yōu)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(xiàn)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(huán)境下圓柱形試管的抓取,在煤礦巷道狹小的環(huán)境下無法穩(wěn)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(yōu)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(xiàn)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(yōu)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(tài)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(jié)夾爪的張開角度。架管機放置架提升會帶動夾爪升高,實現(xiàn)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(xù)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(yōu)化

      2.1 優(yōu)化參數(shù)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(yōu)化。選定手爪的外殼、左右夾爪、內夾套厚度為手爪優(yōu)化的設計變量,以整體質量為優(yōu)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(shù)

      式中:m(xi)為迭代函數(shù);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(yōu)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(tǒng)有較大影響,正靈敏度表示構件壁厚與優(yōu)化參數(shù)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(shù)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(shù)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(yōu)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(fā)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(shù)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(yōu)化后,得到各構件壁厚的優(yōu)化數(shù)據,如表1 所列。

      表1 主要構件壁厚的優(yōu)化數(shù)據Tab.1 Optimization data of wall thickness of main parts

      由表 1 可知,優(yōu)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(jié)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(yōu)化流程和減少參數(shù)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(tài)時,管道與手爪之間會產生靜摩擦力Ff,F(xiàn)f=mg=2μFn1。取摩擦因數(shù)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(shù)據與動力學軟件仿真數(shù)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(lián)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,F(xiàn)n2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(xiàn)′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(shù)據F′=751.6 N。由動力仿真可知理論計算數(shù)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(yōu)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(yōu)化前后的變化情況。利用 ADAMS 優(yōu)化設計功能模塊,對機構進行設計分析,得到驅動力優(yōu)化軌跡,如圖 8 所示。機構優(yōu)化前后參數(shù)對比如表 2 所列。

      圖8 驅動力優(yōu)化軌跡Fig.8 Optimal trajectory of drive force

      表2 機構優(yōu)化前后參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters before and after mechanism optimization

      由表 2 可以看出,經優(yōu)化設計后,a由 35.8°改變?yōu)?39.9°,θ由 75.4°改變?yōu)?79.2°,驅動力F由751.6 N 改變?yōu)?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(huán)節(jié),在此基礎上對構件壁厚進行結構優(yōu)化,優(yōu)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(yōu)化結果實現(xiàn)驅動力較優(yōu)化前節(jié)省了 17.2%。

      (3)以 ANSYS 靈敏度分析為基礎,確定影響手爪動態(tài)性能靈敏度較大的參數(shù)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。

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