移动式转载车抓取机构的设计与动态特性

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移动式转载车抓取机构的设计与动态特性口 李有堂 - 口 张媛媛 口 郑建欣1．兰州理工大学 数字制造技术与应用教育部重点实验室 兰州 7300502．兰州理工大学 机 电工程学院 兰州 730050摘 要 ：为满足袋装物品在 自动化敞车装车 系统中转载车的使 用要 求，设计 出可行的装载结构 。利 用虚 拟仿 真软件Pm／E建立零件的虚拟模型并装配，进行虚拟样机的运动仿真研究，验证模型的合理性。仿真结果表明，该装载结构符合性能要 求，可进 行物理样机的制造。

关键词 ：敞车 装载结构 虚拟样机 运动仿真 物理样机中图分类~：TH122 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2013)10—0036—03目前 我 国 的 袋 装 物 品 装 卸 绝 大 多 数 是 靠 手 工 完成 ，不 仅 装 卸 工 人 的 劳 动 强 度 大 ， 而 且 生 产 效 率 低 ?。

现 阶段 国 内 外 采 用 的 抓 取 机 构 都 是 针 对 规 则 不 变 形 的物 体 或 者 散 装 的 东 西 而 言 ，然 而 ，袋 装 物 品 外 形 柔 软 ，较 易发 生变 形 ，现阶 段都是 采用 传动 带来 运输 。由于搬运 量 大 ，需 要 提 高效 率 ，为 了保 证 抓 取 机 构 的开 口度 、抓 取 的 力 度 以 及 抓 取 机 构 的移 动 性 ．经 过 分 析 ．设 计 了移 动 式 抓 取 机 构 。 设 计 的 抓 取 机 构 安 装 在 可 移 动 的 小车 上 ，采 用 虚 拟样 机技 术 ，运用 ADAMS对 其进 行 运 动学仿 真 。

1 移动式转载车抓取机构的结构设计移动 式 抓取 机构 是结 合堆 垛 车 ．将堆 垛 好 的化 肥运送 到 火车 敞 车 内。 由于某 化肥 集 团要求 将 袋装 化 肥运 送 到 车 厢 (60t)内 ，袋 装 化 肥 尺 寸 为 (650～660)mmx430mmx(130～140)mm。根据 每 次装 车 时 间 、车厢 容 量及 袋 装 化 肥 的 容 积 来 确 定 抓 取 机 构 的 各 结 构 尺 寸 、载重 量 及 相 对 运 动 速 度 。

1．1 抓 取 机 构 的 工 作 原 理在 自动 化 敞车装 车 系统 中 ，由 自动 码垛 机 码好 一定 规 格 和 型 号 的 垛 位 ，再 由 转 载 车 堆 垛 ：转 载 车 通 过 交叉 缩放 机 构 的开放 而使 手 爪张 开 ，使手 爪 对正 码好 的袋 装化 肥 。伸缩 臂伸 出 ，使 手爪 下 降插入垛 中。然后 ，再收稿日期：2013年4月通 过 交 叉 缩放 机 构 的 收缩 ．夹 紧 袋 装 化 肥 。伸缩 臂 回 缩 .

使 垛 移 至 车内 。 这 样 循 环 进 行 ，完成任 务 。抓取 机 构是 转载 车 的主 要工 作 和受 力部件 ，由 装 载 车 的 32作 流 程 可 得 出 抓 取 机 构 的 运 动 形 式 及规 律 。移 动 式 转 载 车抓 取 机 构 的结 构 简 图如 图 l所不 。

所有 连 杆构成 一 个交 叉 缩放 机 构 ，每一 个 连杆 都相 对 转 动 ，活 塞 杆相 对 于 缸 筒 作滑 块 运 动 ，连 杆 相 对于 缸 筒 作 转 动 ，手 爪 相 对 于 滑 动 槽 移 动 。 当 活 塞 杆 作为 主动 件 时 ．它 的上下 移动 促使 手 爪 的开 与 闭合 ，从而 形成 了抓 取机构 的开 与闭 ．满 足抓取 的要求 。

1．2 抓 取 机 构 的 结 构 设 计针 对移 动式 转 载车 抓取 机 构 的工作 要 求 ，设 计 的抓 取 机 构 装 在 可 移 动 的 小 车 上 。手 部 安 装 于 大 气 缸 的活塞 杆 上 ，可 以上 下 移动 ．抓 取 动作 由交 叉 缩 放机 构完 成 。移 动式转 载车 抓取机 构 的功能 是抓起 袋 装化肥运 送 至 火 车 敞 车 内 ，循 环 往 复 地 动 作 。 移 动 式 转 载 车抓 取 机 构 装 配 图 如 图 2所 示 。

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△ (编 辑 功 成 )机械制造51卷 第590期2 移动式转载车抓取机构的虚拟建模利 用 Pm／E作 为 建 立 零 件 模 型 的 平 台 ．直 接 以 i维 概念 进行 设计 ，建 立 三维 产 品零件 的 实体模 型 。实 现零 件 的 3D特 征造 型设计 和参 数 化设 计 ，并进 行 虚 拟装 配 ．检 验 机构 的合 理性 ，确 定抓 取机 构模 型 。

2．1 抓 取 机 构 的 几 何 建 模‘针对 抓 取机 构 的每个 零 部件 具体 特 征 ，确定 选用Pro／E的实 体特 征 或是 曲面 特征 ．采 用恰 当的手 段 来 生成零 件 的基本 特 征 ．最后再 附 加一 定 的修饰 特 征 ，完 成三维 建模 。

2．2 抓 取 机 构 的 虚 拟 装 配考 虑 结 构 的 刚 度 、强 度 和 稳 定 性 问 题 ，对 所 有 零 件实体 造型 以后 。按 照 传统 的 自底 向上 的设计 方 式 进行零 件 的装 配 ]。为 了将每 个零 件 固定在 装 配体 上 ．需要确 定零 件 之 间的装 配 约束 ，以确定 零件 之 间 的关 系及运 动形 式 。抓 取机 构 的虚拟 模 型如 图 3所示 。

3 移动 式转 载车 抓 取 机 构的运 动 学 及动力学特性抓 取 机 构 的三维 模 型 创 建 后 ．利用 ADAMS和 Pro／E的 接 口 程 序 MECH／Pro 导 人 ADAMS中 ．生 成 刚 体 并 加一 些 约 束 和 载 荷 .

进 行 运 动 学 及 动 力学 仿 真 ． 然 后 对 仿真 结果 进行 检 验 。如果 不合适 ，再调 整模 型 或约 束 条件 ，最 终 达 到 理 想 仿 真 结 果 ?。

3．1 抓 取 机 构 的 运 动 学 特 性机 构运 动仿 真最 主要 的就 是看 结构 是 否能 够 实现在 设 计 之 初 所 设 计 的 运 动 形 式 。

抓 取 机 构 主 动 件 活 动 杆 的 运 动 ．带 动 长 横 杆 的 运动 ，活 动 杆 的 运 动 行 程 可 以 简 化 为 长 横 杆 的 运 动 行 程所 以活 动杆 的行 程 S等于 长横 杆 的位移 ￡，即 S=，J 存进 行 最 终 的 运 动 仿 真 之 前 ，进 行 一 次 位 移 的 测 试 来 反映 抓 取 机 构 活 动 杆 的 行 程 ，通 过 生 成 的 Measure．观 察什 么 时 候 到 达 行 程 终 点 ， 利 用 该 Measure生 成 一 个 传感 器 检 测 活 动 杆 的 行 程 什 么 时 候 达 到 ． 这 时 就 完 成 预荷动 作 了 ，得 到 的仿 真 结果 如 图 4所示 。

从 图 4可 以 看 出 ，活 动 杆 的 最 大 位 移 为 800 mm：在 活 动 杆 上 下 移 动 的 过 程 中 。速 度 均 衡 ，满 足 活 塞 杆 在固定 基体 内 的运 动 形成 。在 6 S的 时间 内 ，活动杆 完成了 运 动 行 程 ，保 证 了 抓 取 机 构 的 张 开 闭 合 的 时 间 。

图 4表 明一 个 周 期 内 活 动 杆 的 速 度 、加 速 度 的 最大值 分别 800 mm／s和 2 900 mm／s 。在 其 中任 意选择 2个 时 间点：2 S和 2．5 S，其 对应 结果 分别 为 ：当 t=2 S时 ，5=一750 mm，v=375 mm／s，a=l 050 mm／S 。当 t=2．5 s时 ，s=-500 mm．v=700 mm／s，0=600 mm／s0从 分 析 结 果 中 可 以 看出 ．建 立 的 抓 取 机 构 运 动学模 型 是正 确 的 ．符 合实际运 动要 求 。

3．2 抓 取 机 构 的 动 力 学特 陛交 叉 缩 放 机 构 是 抓 取 机 构 中 最 重 要 的 部 分 ．由连 杆 和 长 横 杆 构 成 ． 连 杆●暑鲁寸 3 0002 oo01 O000一 l 000— 2 O00— 3 0oo▲图3 移动式转载车抓取机构 的模型I—· _．1～Tra ns?latio?na^l D?isp—l Y 一一‘ 一、 ， _ 、1?。‘ ； ； ； v} ， ～、 ／8 ／ f I
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X ／ l● -一， ＼ ．．一_， 01 oo0t／s▲图4 活动杆位移、速度和加速度曲线图o l倒一 5oo一 1咖 机械制造51卷 第590期 2013／10和长 横杆 之 间为铰接 关 系 。根 据液 压缸 驱动 的状 态 ，分析 抓 取 机 构 的运 动 状 况 和 受 力 ， 因 为 交 叉 缩 放 机 构 为对称机 构 ．则取 一个 叉进 行分析 。图5为受力 简 图 。

图 中 ： 为夹 紧力 ，夹 紧 力 的大 小等 同于 抓取 机构抓 取 的 重量 ；F为液 压 缸 的推力 ； 为 连杆 与 竖 直线的 夹 角 。

根 据结构参 数 ．利用 数学 方法 求得 ：开 口大小 ：)，_厂( ) (1)液 压缸伸 出的距离 ： = (oz) (2)由力 学虚 位移 原 理 得 dy=Fdx，求 得 液压 缸 的 推力 ：F=W = 手 (3)式 (1)～(3)表 明 ，用 抓 取 机 构 开 口大 小 和 液 压 缸 伸出的距 离对 求一 阶导 数～．计算 出推力 连杆 长度 为Z，从 图 中分 析 几 何 关 系 ，有 ：y=／sinot，x=lcoso~，求 一 阶 导数得 ：dy=lcosotdozdx=-／sinotdoz代人 式 (3)得 ：=一W 曼Q =一W cotO~或 =-cot (4)将 不 同的 od值 代入式 (4)，得到 表 1关 系 。

表 1 a与 的关系60o 50。 40。 30。 200 15。

F／W 3．742 1 2．742 5 1．732 1 1．191 8 0．839 1 0．577 3根 据 表 1的 数 值 ，它 是 夹 角 与 液 压 缸 推 力 F之间的关 系 。其变化 规 律表 明 ，在 抓取 机构 张开 过程 中 ，液压 缸 推力 是 变 化 的 ，F是 的 函数 ，且呈 非线 性 规律 ，闭合 的时候 推力最 大 ，随着 张开 ，推力 减小 。运 动关系也是 这样 ，开 始速度 大 ，随后 变小 。所 以说 ．抓取 机构在 抓 取 过 程 中 。推 力 和 速 度 均 随 变 化 。

通 过对 连杆 铰接 处进行 测 量 ，得 到 连杆受 力 如 图2013／106所示 。抓取 机构 强度 满足设 计要 求 。

4 结束语通 过仿 真可 以直 观地观 察移 动式转 载 车抓取 机 构的 动 作 过 程 ，通 过 修 改 参 数 可 以 看 出 ，该 抓 取 机 构 的 动作 满 足作业 要求 ，仿 真模 型和运 动过程 参数 可 以为 整个 机 构 的优 化提 供 理论 依 据 ，继 而为 快 速 、准 确 、方 便地设计 和制 造物 理样 机奠定 基础 。

虚拟 样 机 技 术 是 现代 设 计 中 的 一 种 新 的 设 计 方法 ，有着广 阔 的发展前 景 ，虚拟样 机技 术可 以缩 短 新产品开 发周期 和 提高产 品设 计质 量 ，加 速 了新产 品的开发 。

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