架管机的机械手爪优化分析

2020-04-26宋和义邓海顺

矿山机械 2020年4期

宋和义，王雷，胡聪，邓海顺,2

1安徽理工大学机械工程学院安徽淮南 232001

2安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南 232001

煤矿巷道架管安装工作大部分仍以人工为主，导致架管效率低下，难以高效地完成巷道高强度的架管需求。目前，国内外尚无成熟的专门应用于煤矿巷道的辅助安装设备，尤其针对两淮复杂地质环境的辅助安装设备。有鉴于此，笔者设计了一种煤矿巷道管道辅助安装机械设备——架管机，并对其核心部件机械手爪进行了优化。近年来，国内学者对机械手爪进行了大量研究工作，在手爪设计[1]、建模仿真[2]和结构优化[3]等方面进行了较为深入的研究。唐瑞等人[4]给出了一种欠驱动手爪 SARAH，该手爪能够获得人手的抓取效果，但自由度较少，控制复杂。王建军[5]设计了一种由电磁阀控制气缸运动，实现夹紧的搬运机械手爪，但该手爪只能单向直线运动，且只能适用于特定环境下圆柱形试管的抓取，在煤矿巷道狭小的环境下无法稳定工作。李坤岭等人[6]进行了基于 ADAMS 机械爪手的方案评选与优化设计，但所设计手爪对抓取物体尺寸有严格的限制，适应性差。依据上述有关机械手爪的研究现状，结合架管机的工作要求，笔者对架管机机械手夹爪和被连接件进行了多目标设计优化，改进了机械手爪结构，并完成了对架管机机械手爪的理论和动态分析。

1 工作原理

机械手抓如图 1 所示。机械手爪由双向液压缸控制，其两端分别与左右夹爪铰链连接，控制夹爪的开合。而机械手爪外壳用来定位和支撑夹爪，其上端与调角液压杆铰链连接，并与机械手爪的横轴连接。当调角液压缸伸缩的时候，会使外壳带动夹爪绕夹管器横轴转动，可调节夹爪的张开角度。架管机放置架提升会带动夹爪升高，实现指定高度下的架管。在机械手爪的左右夹爪上开有向里凹陷的槽，使内夹套能够安装在夹爪内，通过更换不同厚度的内夹套，可大大提高机械手爪的适应性。在内夹套的结构上设有突出部分，当内夹套刚好夹紧管道的时候，2 个内夹套的突出部分就会接触，阻止夹爪继续夹紧管道，避免过度夹紧。

图1 机械手爪Fig.1 Sketch of manipulator

2 机械手爪结构优化

2.1 优化参数的选择

在保证手爪的应力不超过材料的许用应力，又保证手爪末端夹持部位的位移小于 0.1 mm 的条件下，对手爪构件壁厚进行优化。选定手爪的外壳、左右夹爪、内夹套厚度为手爪优化的设计变量，以整体质量为优化目标，以最大位移和最大许用应力为约束条件，建立约束函数

式中：m(xi)为迭代函数；i为各构件编号；xi为机械各构件厚度；f为最大形变位移；σmax为材料最大许用应力。

对液压缸可伸缩活塞杆施加驱动力、内夹套在施加管件重力作用下进行迭代优化，得到机械手爪各构件厚度的灵敏度柱状图，如图 2 所示。

图2 机械手爪灵敏度Fig.2 Sensitivity of manipulator

灵敏度分析可以确定哪些构件壁厚对机械系统有较大影响，正灵敏度表示构件壁厚与优化参数成正相关关系[7]。由图 2 可知，与机械手爪的外壳和内夹套相比，左右夹爪厚度对机构的最大应力、最大位移、质量均有较大影响。按约束函数对机械结构进行 5 次迭代后，得到机构总位移(如图 3 所示)、参数响应曲面及机构应力云图(如图 4、5 所示)。由图 3 可知，机构总位移＜0.1 mm，满足机构的实际工况使用要求。由图 4 可知，夹爪在壁厚变化过程中最大等效应力为 34.5 MPa，远远小于材料的许用应力，存在较大的优化空间。图 5 所示为机械手爪所受的驱动力为820 N 时的机构应力分布图，最大应力发生在手爪夹持机构的中间部位，其位移量很小，足以完成管道的夹持工作。

图3 机构总位移Fig.3 Overall deformation of mechanism

图4 参数响应曲面Fig.4 Parametric response surface

图5 机构应力云图Fig.5 Stress contours of mechanism

迭代优化后，得到各构件壁厚的优化数据，如表1 所列。

表1 主要构件壁厚的优化数据Tab.1 Optimization data of wall thickness of main parts

由表 1 可知，优化设计后机械手爪最大位移量为 0.007 55 mm，小于手爪材料的最大许用位移量 0.1 mm，满足设计安全要求。质量由原来的 58 kg 减少为45 kg，质量比之前减少了 22.4%，节约了材料，方便在煤矿巷道运输与拆卸。

2.2 计算分析

左右夹爪工况相同，为了简化优化流程和减少参数选取的复杂度，取手爪装置左半部分的左夹爪为研究对象。左夹爪机构主要由液压缸、可伸缩活塞杆、连杆和 V 形夹块等组成，受力分析如图 6 所示。机械手爪主要用于夹持煤矿巷道通风管道，手爪在夹持过程中受到液压缸驱动力作用，对管道接触面产生压力Fn1和Fn2。当机械手爪处于夹紧状态时，管道与手爪之间会产生静摩擦力Ff，Ff=mg=2µFn1。取摩擦因数µ=0.15，手爪两侧对称，通过计算可得手爪的夹持力Fn1=Fn2=980 N。将理论计算数据与动力学软件仿真数据进行对比，校核设计的夹持装置是否达到所需夹持力要求。

图6 夹爪受力示意Fig.6 Force sketch of gripper

由图 6 可知

式中：F为液压缸的驱动力；F1、F2分别为驱动力F沿连杆方向的分力。

分别对铰点O1和O2取矩，求出F1和F2。考虑到结构的左右对称性，取右侧为研究对象进行分析，对O2点取矩计算后可得

联立式(2)、(3)，整理可得

夹取工件时，α≈34°，a＝258 mm，b＝180 mm。代入式(4)可得F＝752 N。

3 仿真验证

根据煤矿实际工况添加运动副和约束，在ADAMS 中建立手爪动力学仿真模型，如图 7 所示。取机械手爪夹持直径为 200 mm 通风管时为研究对象，在手爪与工件接触处施加与夹持力Fn1，Fn2大小相等的，方向相反的力Fn1′和Fn2′进行仿真计算。仿真结果显示，在可伸缩活塞杆处测量驱动力F′，F′与液压缸完成抓取动作所需要的驱动力F大小相等，即由 ADAMS 软件得到动力仿真数据F′=751.6 N。由动力仿真可知理论计算数据和仿真结果差值很小，在允许误差范围之内，所以手爪结构能够满足在煤矿巷道对通风管的抓取要求。

图7 手爪动力学仿真模型Fig.7 Dynamic simulation model of manipulator

在不改变结构的前提下，手爪尺寸变化过程中驱动力F越小越好，由式(4)可知α和θ影响F的大小。而由夹爪受力简图 6 可知，变量α和θ均与连杆之间的铰接点D点的坐标有关，所以将D点坐标(x，y)作为优化设计变量，建立对F的测量，同时对结构中α和θ进行测量，以观察 2 个角度优化前后的变化情况。利用 ADAMS 优化设计功能模块，对机构进行设计分析，得到驱动力优化轨迹，如图 8 所示。机构优化前后参数对比如表 2 所列。