木地板码垛机械手末端夹持机构设计及运动学仿真

胡岳，刘诚

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

木地板码垛机械手末端夹持机构设计及运动学仿真

胡岳，刘诚

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

论文设计了一款可以一次性抓取多块木地板的末端夹持型执行机构。运用SolidWorks三维制图软件建立了机械手末端执行机构的三维模型。并运用ADAMS仿真软件对机械手末端夹持机构的三维模型进行运动学分析。结果表明，论文所设计的机械手末端夹持机构能够平稳抓取和放开板材，达到使用要求。

木地板；码垛机械手；末端执行机构设计；运动学仿真

0 引言

机械手是能够模仿人的手臂来达到某些功能，可以按固定的程序进行抓取、搬运、码垛物件或操作工具的一种机械电子装置［1］。随着生产技术发展速度越来越快，市场的竞争也越来越激烈，产品的生产周期缩短，生产批量较原来变小，产品的生命周期也缩短，生产需求和生产线较低工作效率之间的矛盾日益突出［2］。因此，提高生产线的生产效率对于各个制造行业尤为重要。对于木地板行业，运用机械手将半成品从一个工序移送到另一个工序或将成品搬运并码垛，极大地提高了木地板生产线的生产效率，同时减小了企业在人员上的开支，避免了人在工作中的不慎操作导致人受伤或产品的损坏［3］。

现在用于抓取板材的码垛机械手末端执行机构大多采用真空吸附式的末端执行机构，这种机构虽可以稳定的抓取板材，但每次只能抓取一块板材，机械手要完成工作就要重复更多次抓取、放开动作。如要真空吸附式执行机构抓取多块板材，则执行机构的外形尺寸和重量都要加大，这对于提高生产效率是一个极大的障碍。为了解决这一问题本文采用夹持型机构，这种机构就可以一次性稳定地夹取多块板材，从而极大地提高了机械手的工作效率，同时也缩小了末端执行机构的大小和重量。

夹持型末端执行机构包括回转型手爪和平移型手爪两种［4］，由于抓取的目标物是多块木地板，所以夹持时机械臂应能够使每块板材都能受到足够的夹取力来防止各块板材受力不均导致搬运过程中板材掉落。而回转型的夹持机构在板材尺寸略有变化的情况下就可能出现夹爪夹持时与板材之间产生一定的角度，这样就造成加在部分板材上的夹持力变小甚至没有夹持力，因此本设计采用平移型手爪来解决这一问题。

1 机构设计

1.1机械手末端执行机构的运动原理

木地板码垛机械手末端执行机构运用气缸驱动机械手臂可以实现抓取、放开目标抓取物。本设计运用气缸带动一个平行四边形杆机构来驱动两个机械臂，使机械臂运动时能够达到平行移动的目的。图1是机械手爪的机构原理示意图。

图1　机械手爪机构原理图Fig.1 Schematic of the end effector

气缸驱动杆1上下移动，杆1则带动杆2、3、4、5组成的平行四边形机构，当杆1向上移动时机械臂6、7相向运动从而夹紧目标夹取物，杆1向下移动时机械臂6、7相反运动从而放开目标夹紧物。

1.2整体方案设计

本文选用SMC公司生产的CG1-LN40-50Z的气缸作为驱动单元，其缸径为40mm，行程为50mm。经计算，该气缸在驱动力和行程上能够满足要求。

本设计运用Solidworks软件对机械爪的各个零部件进行三维模型的建立，然后再组装成装配体。Solidworks是一个基于windows平台的三位机械设计自动化软件，主要采用参数化和特征造型技术进行建模［5］。Solidworks以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计的设计效率和质量，目前已成为主流的3D CAD软件［6］。

在对末端执行机构三维模型的建立时，先逐步地建立机械手爪各个单元的模型，然后再对各个单元模型按照布局来进行装配。主要包括滑动导轨与滑块固定在底座上的装配，气缸装配，机械臂与夹板单元装配并固定在滑动轨道的滑块上，顶部支撑架与底座装配，气缸、连杆及机械手臂的装配等。装配时使用合适的配合方式并选用Solidworks自带的标准螺丝螺母等进行定位。为以后的机械手爪运动学分析仿真做准备。图2是机械手爪的总装配三维模型图。

图2　末端执行机构的装配三维模型图Fig.2 Three-dimensional model diagram of the end effector

2 运动学仿真

运用ADAMS仿真软件进行运动学的仿真来验证机械手末端执行机构张开时的尺寸是否比板材尺寸大从而能够达到装夹板材的位置，夹紧时的尺寸是否能够满足夹起板材的条件，另外该执行机构在运行时是否能够平稳地完成抓取和放开目标抓取物的动作等。目前美国机械动力学公司的ADAMS软件是世界上应用最广泛最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件［7］。ADAMS是以计算多系统动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件，利用它可以建立起复杂的机械系统的运动学和动力学模型［8～10］。将Solidworks中创建的机械手三维模型导入到ADAMS中。

运用ADAMS软件的添加约束模块对三维模型的各个零件之间的关节进行运动副的设置。其中移动副有5个，转动副有8个，然后运用ADAMS驱动设置模块中的平行移动副驱动设置气缸活塞杆的运动参数然后进行仿真分析。以下图示是气缸活塞杆和两个末端夹板运动分析结果。

图3　末端两夹板的时间-位移曲线Fig.3 Time-displacement curve of the echanical fingers

图4　末端两夹板的时间-速度曲线Fig.4 Time-speed curve of the mechanical fingers

图5　末端两夹板时间-加速度曲线Fig.5 Time-acceleration curve of the mechanical fingers

所选的气缸行程为50mm，通过移动副驱动设置可知设定的气缸行程为50mm。两个末端夹板的总移动行程为60mm，两末端夹板最大距离大于板材尺寸，表明两夹板可以到达夹取板材的位置。两末端夹板最小距离能够满足完成夹取木地板动作的条件。从仿真结果可以看到机械爪末端夹板的速度和加速度曲线是一条平滑连续的曲线，这说明机械爪在运动和抓取过程中运行平稳，没有出现速度和加速度的突变，并且机械结构没有干涉和震动的现象，能够达到使用要求。

3 结束语

本文完成了对木地板码垛机械手末端执行机构的各个模块的机构设计，并且建立了该执行机构的三维模型。通过对建立的三维模型进行运动学仿真分析，验证了该设计能够满足夹取板材的尺寸要求，并且其运行平稳，无干涉和震动现象，能够满足使用要求。为木地板生产线实现自动化产品码垛和搬运提供了一个可借鉴的方法。

［1］王建军.搬运机械手仿真设计和制作［J］.机械设计及制造，2012，3.

［2］蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨［J］.机器人，1996，5.

［3］马光，申桂英.工业机器人的现状及发展趋势［J］.组合机床与自动化加工技术，2002，3.

［4］井江浩.工业机器人执行器的快速变型设计与分析［J］.机械设计与制造，2014，1.

［5］胡仁喜.Solidworks2012机械设计从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［6］DS Solidworks公司.Solidworks零件与装配体教程［M］.机械工业出版社，2013.

［7］Chen Q，Luh J YS.Petri Net truncation：an effective approach tosloving complex scheduling problem［A］.IEEE Int Conf on Robotics and Automation［C］.Atlanta，GA，USA：IEEE Comput SocPress，1993.

［8］李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［9］Movahedy M.Gdata M S，Altintas Y.Simulation of orthogonal metal cutting process using an arbitr any lagrangian Eulerian finite element method［J］.Journal of Materials Processing technology，2000，2.

［10］贾长治.MD ADAMS虚拟样机从入门到精通［M］.机械工业出版社，2010.

Structure Design and Kinematics Simulation of the Clamping Mechanism on Palletizing Robot for Wooden Floors

HU Yue，LIU Cheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

This paper designs an end effector for carrying several wood floors at one time.Three-dimensional model of the end effector is founded by using Solidworks，and the kinematics simulation is made by ADAMS.The results show that the designing can grab and release the floors smoothly，validate the gripper can meet the design requirement.

wood floor；palletizing robot；the designing of the end effector；kinematics simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-067-03

2014-12-30

胡岳，机械设计及理论在读研究生；通信作者：刘诚，男，吉林扶余人，副教授，硕士研究生导师。从事木制品先进制造技术与设备研究。