多用途抓取类机械手设计及分析

崔福霞

摘 要：该文在对抓取类机械手的结构类型进行分析的基础上，采取相应的软件对各种类型的机械手进行建模仿真设计，并且对抓取类机械手关键部位的运动和应力进行研究，对其运动中所产生的振动情况进行分析，对机械手的进一步发展设计提供借鉴。

关键词：多用途抓取类机械手 设计 分析

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0119-02

在人们的社会活动和生产生活当中，多用途抓取类机械手发挥了较大的作用，能够帮助人们在危险的环境中进行各种操作，目前抓取类机械手在工业生产中也有较大的发挥。为了进一步提高抓取类机械手的工作效果，需要在对不同种类机械手的整体特点和结构进行分析的基础上，在机械手端部采取电磁铁进行吸附连接，以此来实现多种机械手之间的灵活转换，形成多用途抓取类机械手，并且在机械手部分加上压力传感器和远程控制系统，以此来对物品的硬度进行判断，从而选择更加合适的传动方式和驱动方式。

1 多用途抓取类机械手的仿真

1.1 建模仿真

目前常见的多用途抓取类机械手主要包括吸盘式、两爪式和三爪式等类型，分别在不同场合中进行工作，在对这些多用途抓取类机械手进行仿真建模的过程中，其主要包括液压系统、机械系统、控制系统和动力系统。机械系统是多功能机械手完成各项动作的执行结构，通常包括机械手抓、前臂、支架和底座等工作装置，在对机械系统进行建模的过程中，需要对不同的结构配件执行最基本的建模命令，形成相应的机械结构部件。然后根据机械部件类型的不同，将机械系统中的机械部件进行相互连接，主要包括机械手底座与后臂之间的连接，前臂孔和后臂孔之间的连接，在机械系统连接完成之后，对液压装置进行装配，形成完整的机械手模型[1]。

1.2 对重要元件进行选择

为了保证多用途抓取类机械手能够在不同的环境场合中进行工作，同时在最大程度上提高机械手的抓取效果，需要对其中的重要元件进行选择。这些重要元件主要包括这样几个部分：首先是压力传感器，压力传感器主要安装在机械手指之间，在机械手进行抓取动作的过程中，压力传感器能够在对物体的硬度进行判断的基础上，对所施加的压力进行控制，保证机械手能够顺利地夹取不同硬度的物体，在压力传感器的选择上，可以选择薄片式电阻式应变片来进行使用。另外一种重要元件为PIC控制系统，根据实际情况来对PLC控制系统设定参考压力值，在输入压力和参考压力值进行比较之后，对电动机的输出功率进行调节，以此来对机械手爪的输出动力进行控制，方便机械手爪抓取各种不同硬度的物体，对于PLC控制器的选择，可以使用三菱FX1S-14MT-ESS/UL。对电磁铁的选择，电磁铁在通电的情况下能够产生强大的吸附力，通常应用到吸附式机械手当中，能够对物体产生吸附力，使物体进行移动或者拾取，实现各种抓取部件的灵活转换，对于电磁铁的選择需要根据机械手的类型和使用场合进行确定[2]。最后是对电机的选择，电机主要应用到液压传动装置当中，液压传动装置能够控制机械手臂进行伸长和缩短，实现机械手臂的各种动作，电机能够通过转动调节液压杆的油液压力，来对机械手臂伸长或者缩短的速度进行定植，一般情况下，电机的额定电压为1.5～6 V之间，额定电流在0.02～0.5 A之间，额定转速为6 000～16 000 r/min之间。

2 对机械手的运动形态进行分析

机械手臂的运动主要体现在前臂、后臂和手掌当中，在对机械系统的运动形态进行仿真的过程中，可以对机械手模型中机械系统的各个部件进行仿真建模，并且通过Step函数来对物体合适的仰俯角度进行控制，其中需要注意这种角度需要与机械手的活动范围保持一致。对机械手运动形态的分析主要包括物体的位移、速度和加速度，3个转动副输出力包括手掌和前臂、后臂中间处、前臂和后臂。在对机械手后臂运动和前臂运动进行分析的过程中，可以采用ADAMS软件来进行仿真分析，通过建立相应的模型，得出机械手臂的运动简图，能够清晰明了地看出机械手臂机械系统中各个部件的运行形态，并且在此基础上对机械手臂的运行形态和规律进行分析研究。

3 机械手臂的应力分析

机械手臂的好坏决定着机械手的工作性能，所以说在对机械手进行设计分析的过程中，需要对其应力进行分析，在实际分析的过程中，可以采用ABAQUS工程模拟有限元软件来进行，这种模拟软件能够从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题中，在对机械手臂的应力进行分析的过程中，就可以以机械手臂为例，对其静应力和动应力进行分析，以此来对机械手工作过程中的应力情况进行控制，防止机械手由于应力问题产生损坏，影响实际的工作效果。

3.1 机械手臂的静应力分析。

利用ABAQUS软件对机械手臂进行静应力分析，在分析之间，根据机械手臂的实际结构情况来对荷载进行设置，一般情况下设置荷载为100 MPa，在机械手臂上的各个部分进行编号，观察编号点应力随时间的变化情况。在经过观察之后可以发现，当后臂转动的时候，轴给后臂以径向力，导致后臂发生形变，在这样的过程中，施加在后臂上的应力较大，在时间的不断增加中，后臂的形变越来越明显，这就说明应力越来越大，在应力持续增加的情况下，可能会导致机械手臂出现破损的现象，影响机械手臂的正常工作。

3.2 机械手臂的动应力分析。

动应力主要指的是机械手臂在运动过程中产生的应力，机械手在对物体进行抓取的过程中会引起机械手臂的运动，对抓取物体的平稳性和效果产生较大的影响，所以说一般在对机械手臂动应力分析的过程中，主要是对是振动作用进行分析，将利用ABAQUS软件所形成的模型直接导入动应力分析当中，对机械手臂的变形结构进行绘制，通过研究分析之后可以发现，机械后臂在进行旋转运动的过程中，会发生不同程度的振动，这样的振动会对机械手的平稳性和抓取准确度造成一定的影响，在对机械手臂的动应力进行分析之后，能够得到不同情况下机械后臂的振动特点和规律，对后臂的设计提供依据[3]。

4 结语

文章在对多用途抓取类机械手臂机械系统中各个作业部件进行仿真建模，并且在此基础上，对机械手中所应用的重要元件进行选择，保证多用途抓取类机械手臂能够实现不同抓取部件之间的转换，并且通过对机械手臂的运动和应力进行分析，能够研究出机械手臂的运用规律和应力变化情况，保证机械手的正常使用。

参考文献

[1] 聂永芳，许家宝.多用途抓取类机械手设计及分析[J].煤矿机械，2016，37（12）：83-85.

[2] 赵春平，李志华，李亚斌.一种自适应多用途电磁机械手设计[J].中国仪器仪表，2017（2）：58-60.

[3] 平艳玲，刘波.基于PLC的气动抓取式工业机械手设计研究[J].科技创新与应用，2015（30）：128.