基于Ansys Workbench的桁架式机械手爪结构设计与分析

1 引言

随着社会的进步与发展，我国制造业的人口红利逐渐消失，制造业的转型与升级发展将成为脱离现实困境的唯一途径。先进的信息技术与机械设计生产理论相融合，为我国制造业的自动化和智能化发展打开了新的命门。工业生产的自动化成为我国制造业现阶段发展的主流趋势，工业机器人在制造行业的成熟应用也逐渐显现出更明显的优势。工业机器人携带机械手爪可以提供高效、准确、低综合成本的生产服务，进而逐步被众多生产制造企业所青睐。当前，工业机器人的发展已基本成熟，然而对机器人作业起着决定性作用的机械手爪，其研究正如火如荼

。

现阶段，机械手爪的发展主要集中在以下几类，第一种为诸如雄克ABB、柳道、雄克等一大批业内翘楚，其设计的机械手爪已逐渐趋于标准化，也主要被各类大型企业和精密生产企业所接受；第二种为国内自主品牌，该类机械手爪主要为自动化服务企业所推销的附属产品，为此手爪品质也良莠不齐；第三种主要为非标生产的定制化机械手爪，该种手爪主要针对某一实际生产现场所设计，普适性差，但使用可靠性、稳定性、性价比较高，故常被中小型企业所青睐

。

本文将以某大型铸造生产线为例，对大载重自动化机械手爪进行机械结构设计，通过有限单元法对设计结构进行进一步分析，以简化手爪的设计研发过程，提高手爪的载重能力和载重可靠性，形成可参考的手爪设计方法。

2 设计概况

现阶段，技术较为成熟的机械手爪主要有柔性软体手爪和刚性手爪两大类，其中柔性软体手爪常用于果蔬的仿生采摘，刚性手爪则多用于工业生产

。刚性手爪根据工作特性又可分为刚性张角手爪和刚性平动手爪两种设计结构，其中刚性张角手爪具有结构刚性差、包络抓取牢固、操作稳定性差、设计复杂、控制难度大等特点，刚性平动手爪具有工作负载大、结构刚性好、抓取精度低、设计简单等特点

。

本大型铸造生产线主要为航母等大型军民用设备提供零件铸造生产，涉及砂芯打印、砂芯清理、砂型铸造、落砂取料、毛坯修整、下料等6大工艺环节，具体如图1所示。该生产线机械手爪的设计功能主要为生产过程中大型砂芯及铸造毛坯件的转运，其抓取范围为1.2t～1.8t。由于该产线铸造砂芯及毛坯件的质量较大，故对转运机械手爪作业负载、结构刚性及抓取稳定性要求高，而对抓取精度要求一般。本手爪结构的许用应力[δ]=120MPa，许用变形量[W]=5mm。结合以上要求，本机械手爪将采取刚性平动式机械结构设计，整体搭配机械桁架组合成桁架式机械臂用于辅助生产线的作业。手爪工作原理如图2所示，杆5为一组平动手爪的执行部件，主要依靠对向平动实现对工件的抓取；杆2为手爪竖梁，主要动作为上下运动，以实现将工件提升至安全高度；杆3为手爪横柱，携带工件及手爪在水平方向沿桁架1运动。

3 手爪结构设计

本生产线用机械手爪设计目的在于抓取大型砂芯及铸造毛坯件，并对其进行生产转运。结合该产线的实际工作条件，手爪的结构设计主要采取桁架式刚性平动机械结构。参照设计原理图(图2)，本桁架式机械手爪可设计由桁架、横柱、竖梁、横梁、手指等部分组成，如图3所示。图示桁架为整体产线桁架的最小单元，每组跨距6.4m，产线整体桁架将由10组小桁架单元拼接而成；横柱为整体手爪的承载与运动部分，上装有伺服电机驱动，当控制器发出信号时，伺服电机带动横柱耳版下侧滚轮实现横柱精确运动，即由横柱可携带手爪及工件在各工位件传输；竖梁为手爪结构的提升部件，通过上下运动以将工件提升至安全高度，竖梁和横柱间由丝杠导轨连接，工作时由伺服电机驱动；横梁为手爪的主要结构部件，通过导轨连接两组对向手指，并附带液压驱动手指对向移动，进而实现对工件的抓取。

经分析，由于手爪构件中竖梁起着决定整体受力平衡的关键作用，其他结构件的工作变形量均来自于竖梁变形的二次迭代，且竖梁变形的大小将直接影响手指、横梁等结构件的变形大小，为此对竖梁进行必要的强度分析和刚度校核，并以此作为理论基础优化设计手爪结构，将可有效的提高本桁架式机械手爪设计的科学性与合理性。

H:150cm BMI:23.5kg/m 甲状腺触诊2度肿大,质地较韧,活动度好;心肺腹触诊、叩诊、听诊无异常。

注：此处只做竖梁刚度和强度分析，横梁和手指材料更换带来的影响已另做分析，且分析结果符合要求。

4 机械手爪有限元分析

4.1 前处理阶段

由于机械手爪结构为非对称式结构，所以运载工件启停时整体结构所受惯性力不一致，即当手爪携带工件处于位姿越低，手爪运行加速度越大，则桁架式机械手爪的变形量越大，所处状态越危险。此处，我们选择桁架式机械手刚抓取完成，又正在启动状态这一危险位姿进行分析研究

。

根据上述设计，我们设置桁架式机械手竖梁为壁厚12mm的规则形方钢型材，正常工作时手爪最大负载量为1.8t，携带工件的最大运载速度为600mm/s，加速度为1200mm/s

。打开Ansys Workbench软件，在工程数据中选择材料为结构钢(密度7850kg/m

，弹性模量200GPa，泊松比0.3)。

安：当我刚开始学琴时，只接触过立式琴。如你所说，因为结构区别，我无法在立式琴上探索出上述方法，只能弹出最基本的强弱对比。11岁那年，进入音乐学院之后，我开始使用三角钢琴，当我与帕内拉和齐科里尼教授学琴时，便在三角钢琴上探索上述方法和声音。我的观点是，演奏者首先需要理解并习惯三角琴的运行模式，才能自如控制三角琴和立式钢琴，而如果只习惯于立式琴，是无法在三角钢琴上营造美妙声音的。

组网设计需要与住宅结构相结合，不同住宅其组网的设计也不同，在进行组网设计的过程中，必须要进行充分的考虑，特别是在使用无源光网络时性需要对其传输的距离进行考虑，有效的将分路器级联进行控制，使其始终保持在二级以内。

4.2 计算结果分析

通过AnsysWorkbench软件Static Structural模块分析可得，桁架式机械手爪关键结构的云图如图4-图7所示。桁架式机械手爪在最大载荷和最危险姿态工作条件下，最大应力应力集中在竖梁上端靠近横柱一侧，最大应力值为188.51MPa>[δ]；最大变形量出现在远离横柱端一侧手指的右下角，最大变形量为22.55mm>[W]，故手爪初步设计不能满足要求。

综合分析桁架式机械手爪有限元结果可知，手爪的最大应力取决于竖梁的应力变化。虽然手爪的最大变形量体现在手指构件上，但分析桁架机械手爪结构可发现，对其安全性及平稳性起决定作用的主要集中在竖梁、横梁、手指三个构件。考虑到手爪结构在工作过程中要承担工件载荷、自重以及载重运载时所产生的惯性力的作用，参照图8机械手爪质量分布图可对手爪结构的挠度计算如下：

地质勘察是工程建设中的重要环节，勘察数据是否准确对工程建设至关重要。本文从工程地质勘察的概念与质量管理规范化角度出发，探讨质量管理规范化的必要性，并指出工程地质勘察过程中存在的问题，对目前存在的问题给出整改措施，以期促进工程地质勘察质量的全面优化，保证工程建设质量。

将竖梁结构改变前后的有限元云图对比分析可知，竖梁结构改变为空心圆柱加发散式加强筋结构后，竖梁的最大应力和变形量都得到较好的改善。最大应力的集中位置向横柱方向偏移，数值降为13.007Mpa。最大变形仍以翘曲变形为主，数值降低为2.9602mm。

式中：ω

——各结构件质量对竖梁产生的挠度

ω

——惯性力对竖梁产生的挠度

式中：

——各结构件质量(kg)；

、

——各结构件质心坐标(m)；

——手爪构件总长度(m)；

——弹性模量(MPa)；

—竖梁横截面对中性轴的惯性矩(m

)；

中医上讲“肾为先天之本”，肾的好坏，看的就是肾气足不足。如果肾气足，排尿就痛快，用老百姓的说法：垃圾不就全排出来了嘛！

5 桁架式机械手爪竖梁的优化

在机械手爪工作过程中，竖梁作为主要的载重结构，受力情况复杂，其应力和变形的情况直接影响着整体手爪的状态。从上述分析看出，在该危险工况下，竖梁的刚度和强度都不满足设计要求。为了以最小的成本优化设计效果，考虑分别从竖梁材料和结构两方面对竖梁进行优化。目前，市场上机械手爪所用的材料大多为结构钢和铝合金EN-AW1200两大类，对比两种材料的参数可知，结构钢的强度高、加工性能良好、材质均匀且可靠性大，但自重较大

。而EN-AW1200铝合金自重较轻、塑性较好、耐腐蚀性高。下面将从结构钢和铝合金EN-AW1200两类材料选用，并从结构优化角度对桁架式机械手的竖梁进行设计改进。

5.1 结构优化方案

竖梁作为桁架式机械手的非对称连接件，起着联接手爪与桁架的关键作用，除负载和惯性影响外，竖梁和手爪的自重将直接集中作用在竖梁上，引起竖梁末端发生翘曲变形，进而被手指结构放大，直接影响手爪工作的稳定性和可靠性

。因此，考虑到机械手爪自重对整体稳定性产生的影响，结构优化改进的思路可集中在三方面：

(1)结构不变，在不影响手爪工作性能的情况下更换竖梁、横梁以及手指材料。

(2)更改竖梁结构，但不更改材料属性。

将竖梁材料更改前后有限元云图对比分析可知，竖梁材料更换为铝合金EN-AW1200后，最大应力由原来的188.51Mpa降低至102.22Mpa，最大变形量由原来的9.123mm降低在至5.7959mm。竖梁材料更改前后，竖梁的强度和刚度都得到有效的改善，且最大数值点的位置未发生改变。

受实际生产情况限制，本桁架式机械手爪结构为非对称式设计，结构偏置将导致本手爪除了应满足强度条件外更重要满足刚度条件，即变形量不得超过一定的限度，进而保证本手爪能够正常工作

。

5.2 结构优化

利用参数化建模思想，以竖梁结构为优化对象，以竖梁挠度和所受应力为优化目标，并结合机械手爪整体的质量指标，对不同方案进行有限元仿真

，对比获取最优设计方案。

方案一：不更改竖梁结构，将竖梁材料更换为铝合金EN-AW1200。竖梁的有限元分析结果如图9、图10所示。

为了得到箱梁翼缘板的准确正应力，将预应力加在两腹板上的点10位置处，如图1所示，两根钢束的预应力合力大小均为300 N。在ANSYS中利用LINK8单元模拟预应力作用，通过赋予初始应变得到所需预应力。研究初期，也曾用等效荷载加在同一位置处，提取的结果和用LINK8单元算出来的结果进行对比分析，最后发现误差较小，说明用LINK8单元模拟纵向预应力筋是准确的。跨中施加的集中荷载P亦可模拟车轮荷载作用下在跨中的等效集中力。

(3)更改竖梁结构，不影响手爪工作性能的情况下更换竖梁、横梁以及手指材料。

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理，计数资料采用x2比较，以P＜0.05为差异有统计学意义。

竖梁材料更换为铝合金EN-AW1200虽获得理想的数值优化方向，但最大变形仍超过许用量，故还需进一步优化。

方案二：将竖梁的结构由12mm壁厚的规则性方钢结构改进为空心圆柱加发散式加强筋结构，加强筋共4根，整体竖梁外形尺寸不变。此时竖梁材料属性选用结构钢。竖梁的有限元分析结果如图11、图12所示。

W=ω

+ω

为了在仿真过程中最大限度还原实际工作情况，需进一步在软件中设置各结构件之间的接触状态。参照设计，在横梁与两手指之间设置不分离接触，确保二者在保持连接的同时还可以实现滑移，进而模拟导轨与滑块联接；在手指与工件接触面之间设置摩擦接触，定义摩擦系数为0.15；其余各构建之间为绑定接触

。在横柱两端面设置固定约束，用于限定整体机械手爪在X、Y和Z方向上的移动和转动

。最后，根据实际加载载荷，并将控制元器件以及对整体研究影响不大的结构部件等效为质量单元耦合到手爪的相应位置，以确保仿真结果的准确性

。

1.2.1 研究工具 由自设的一般情况调查问卷和护士工作压力源量表组成。根据研究目的，自行设计一般情况调查表，包括人口学资料（性别、年龄、护龄、职称、学历、婚姻状况等）。护士工作压力源量表由李小妹等编制而成，包括5个维度，即护理专业及工作、工作量及时间分配、工作环境及资源、患者护理、管理及人际关系，采用1～4 级评分法，1分代表没有压力，2 分代表压力程度一般，3 分代表压力程度较高，4 分代表压力程度非常高，得分越高表明压力程度越大，量表的总 Cronbach’s α系数为 0.98，具有良好的信效度[2]。

对比分析发现，竖梁结构的改变使得竖梁强度和刚度改善的同时，危险点也逐渐朝着脱离竖梁的方向运动，为此在该竖梁结构上继续优化将可有效改善桁架式机械手爪的结构性能，并有望将手爪性能的影响因素转移到其他非重要构件上。

方案三：竖梁选用空心圆柱加发散式加强筋结构，材料选用铝合金EN-AW1200。竖梁的有限元分析结果如图13、图14所示。

CDIO代表了构思、设计、实现和运作。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念。CDIO的理念从产品研发到产品运行，以其生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程类课程和知识。

竖梁选用空心圆柱加发散式加强筋结构，材料选用铝合金EN-AW1200后，所得应力云图和变形云图相比方案一和方案二的云图结果取得了有效的改良。最大应力集中在竖梁外侧与横柱连接交汇处，数值为3.9061MPa。最大变形数值降低至1.395mm。

此时，结合图15、图16所示桁架式机械手爪云图可以发现，机械手爪的最大应力已转移至横柱之上，脱离竖梁、横梁和手指三大关键结构件，此时机械手爪的强度主要受桁架等外围构建影响。最大应力值为27.406MPa，最大变形量为3.3482mm，均远小于许用应力值。竖梁结构的强度和刚度达到理想的数值范围。

5.3 结构优化分析

原设计机械手爪在危险位姿工作时，竖梁的最大应力集中的中间位置处，且超过许用应力，竖梁产生变形甚至破坏；竖梁的最大变出现在底部，形量为22.55mm，因偏移迭代直接影响到了手爪整体工作的安全性和稳定性。

《四库》共著录明别集提要1092篇，其中《正目》著录238篇，《存目》著录854篇。[6]经初步统计，晚明范围的仅268篇，9篇归《正目》，259篇归《存目》，远远未及《四库》明人别集总量的三分之一。考虑到年代划分的复杂性，本文仅讨论提要中记载的隆庆后中进士的作者，被《四库》归入国朝的作者，则不作论述。

在结构不变，只更改竖梁材料属性的情况下，方案一相比原设计强度上提高45.7%，刚度提高34.6%。在材料属性不变，只更改滑柱结构的情况下，方案二相比原设计强度提高93%，刚度提高67.5%；在材料属性和结构都改变的情况下，方案三相比原设计强度提高98%，刚度提高85%。由此说明，以竖梁为研究对象，本次优化过程中结构的优化和材料的合理选用都取得了理想的优化效果。

随后，分别在三种方案的基础上，参照有限元仿真对整体桁架机械手爪进行优化，手爪整体强度和刚度都获得了理想的优化效果。最终，在该优化思路下，手爪的整体变形量和最大应力均小于许用值，且最大应力点和最危险变形点均转移至桁架等其他非核心结构件，后期亦可通过桁架改性的方法进一步优化该桁架机械手的工作精度。

综上，方案三为最优手爪结构方案，即在原始设计基础上，采用空心圆柱加发散式加强筋结构的竖梁，并整体配用EN-AW1200铝合金材料可确保该桁架式机械手爪设计的科学性与合理性。

6 结束语

本论文根据大型铸造生产线生产需求，设计了一款桁架式刚性平动机械手爪。通过对初步设计结果的研究，判断出该机械手爪并未满足强度和刚度要求。经过进一步分析，发现对该机械手爪强度和刚度产生重要影响的结构件为竖梁。在此基础上，设计出三种优化方案，使用Ansys Workbench对竖梁在危险工作姿态下的最大变形量和应力进行评估，进而实现对机械手爪设计结果的优化。综合三种方案的讨论，最终总结出桁架式机械手爪采用空心圆柱加发散式加强筋结构竖梁，并整体配用EN-AW1200铝合金材料可满足该桁架式机械手爪设计强度和刚度。使用Ansys Workbench辅助设计并优化机械结构，可有效降低机械设计的难度，简化设计研发过程，提高机械设计的科学性和可靠性

。该方法将有效简化机械设计工作，对提高设计效率具有重要的现实意义。

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