基于八角管抓具的连接块强度改进设计及分析

闫泽云　王国超　陈有刚

摘 要：为有效减少机器人八角管抓手EGT120型号连接块的断裂频次，通过构建连接块三维几何模型并采用有限元分析方法对模型进行应力分析，获得应力的分布情况，根据应力分布情况优化连接块结构并与现场实际测试。结果表明，优化后的设计减少了连接块的断裂频次。有限元分析结果与现场测试结果相吻合，提高了设备开动率。

关键词：抓手连接块；有限元；八角管

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0062-02

在现代制造业中，用在输送设备上的八角管抓具应用范围广泛。尤其是在汽车制造业中，应用很是普遍。抓具是输送设备抓取、搬用工件的重要部件，主要是对工件进行夹持，通过电气控制及气路控制来实现抓具的加紧和释放。八角管抓具是近年来新出现的一种抓具，这种抓具具有如下优点：重量轻、结构简单、整体结构强度高、精度高模块、化设计、调节更换方便、有很高的适用性、维修保养方便。

但是，在实际使用时，由于来料的波动以及各种因素的影响会使八角管抓具的一些连接块周期性地受到剪切。尤其是连接定位销与八角管之间的连接块。导致连接块高频率的断裂，为了解决这种问题，本文在不改变整个抓手结构的条件下，通过构建连接块三维几何模型并采用有限元分析方法对模型进行应力分析。优化EGT120这种连接块结构设计，减少了应力集中现象，减少了连接块的断裂现象。

目前关于机器人抓具的相关文献主要研究方向是抓手的设计及特殊设备抓手的受力分析，比如王铁钢等编写的《码垛机器人抓手的结构设计及有限元分析与优化》[1]。关于目前应用广泛的八角管爪具的一些组成部件的受力的文献较少，本文针对这种爪具的一个常用部件进行了受力分析，并进行了优化。

1 定位部分EGT120的受力及断裂原因分析

现在以某车间一台抓放汽车零部件的机器人抓具定位部分为例，分析一下连接定位销与八角管之间连接块的结构情况。如图1所示。

在抓件过程中，定位销插入工件的销孔实现抓具准确的将工件抓取及释放。因为来料问题或者精度问题导致销子与销孔之间存在错位情况，一旦错位销子就会收到板材的作用力，如图2。

EGT120抓手连接块用的45号刚为保证有一定的韧性采用调制的热处理的方法。表1为GB/T699-1999标准规定45钢的性能参数。

对连接块的静强度进行校核，校核条件如下：

检验条件：[σ]>σmax

[σ]=σs/n=355/1.2=296MPa

其中：[σ]——材料的许用应力；

σs——材料的区服强度；

σmax——实际计算出的节点的最大应力；

n——材料的安全系数，n=（安全系数取1.2）。

根据板材上定位孔的错位情况及抽样测定的实验值推断出定位销的受力分布在0～300N之间，对图1的部分进行如图3所示的简化，由杠杆原理可得：连接块处受最大扭矩T=F*L=120Nm，提供的反作用力F=120Nm/0.03m=4000N。

对之前的连接块在软件UG NX8.0用运NX NASTRAN求解器进行有限元受力分析。分析结果如图4所示，可以看出连接块受到的最大毁坏主应力为439MPa大于材料的许用应力[σ]=296Mpa，导致之前的连接块出现图5所示的高频断裂点，通过图4与图5对比验证了软件分析结果的正确性。

通过图5可以看出旧版连接块的主要受力点都集中在图6中的槽6处，之所以这里会出现应力集中现象主要原因有两个：（1）连接块存在较深的槽，这个槽将图6的孔1切开1/2；（2）存在两个销孔，销孔周围也存在应力集中现象，重要的是这个销孔周围受力面较薄。因此在改进时要有效的避免这两个缺陷。

2 抓手连接块的改进

对改进后的抓手连接块进行受力分析：根据上文的分析，将连接块改进如图7所示。

对改进后的抓手连接块运用有限元分析：（1）材料选择普通碳素钢；（2）网格划分采用3D四面体网格划分，单元大小為3mm；（3）因为连接块是螺栓固定在八角管，所以进行固定约束如图8所示；（4）连接块主要受到的时载荷类型为多孔管作用在连接块上的所以施加如图9所示的力4000N。

根据图10可以看出最大毁坏主应力为71MPa，远远小于刚材的屈服强度355MPa，可以看出改进后的结构改善了应力集中现象，满足使用需求。

3 现场使用结果数据统计对比

在其它条件不变的情况下将该位置的抓手连接块换成新版的以后，经过12个月跟踪观察未出现断裂情况。通过现场使用的断裂次数的统计与对比验证了理论分析的正确性。

4 结语

本文改进机器人抓手上EGT120型号的抓手连接块，解决了抓手连接块高频断裂的问题。降低了抓手连接块的更换频次，降低了生产成本，提高了设备开动率。

参考文献

[1]李铁刚，冯显英，岳明君，王兆国.码垛机器人抓手的结构设计及有限元分析与优化[J].组合机床与自动化加工技术，2017，（03）：49-52.

[2]詹友刚.UG NX8.0产品设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2011.