基于报废汽车车轮拆卸的机器人工具设计研究

第５ｌ卷第９期ＶｏＩ．５１Ｎｏ．９农业装备与车辆工程ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ２０１３年９月ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１３．０９．０１９基于报废汽车车轮拆卸的机器人工具设计研究卢绪振１，李艳芳２，王树城１（１．２５０１００山东省济南市山东省农业机械科学研究所；２．２６２５００山东省青州市潍坊工程职业学院）［摘要］针对报废汽车拆解的特．最，文章在报废汽车轮毂螺母拆卸完成的基础上，以拆卸车轮为例，设计了自动拆卸车轮的机器人工具。然后利用ＰＲＯ／Ｅ软件构建机器人工具的三维模型，并对其进行干涉检验，对模型中存在的干涉问题进行修改：使用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ对工具关键部件夹持臂进行性能分析。从而提高工具的可靠性。［关键词］报废汽车拆解；机器人工具；ＰＲ０，Ｅ有限元分析；ＡＢＡＱＵＳ［中图分类号】ＴＰ２４２．２Ｄｅｓｉｇｎｏｆａ［文献标志码］Ａ［文章编号】１６７３—３１４２（２０１３）０９－００７０．－０４ＷｈｅｅｌｓｆｒｏｍｔｈｅＥｎｄ—ｏｆＬｌｉｆｅＶｅｈｉｄｅｓＲｏｂｏｔｉｃＴｏｏｌｔｏＤｉｓａｓｓｅｍｂｌｅＬｕＸｕｚｈｅｎ。，ＬｉＹａｈｆａｎ９２，ＷａｎｇＳｈｕｃｈｅｎ９１（１．Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｃａｌ－，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＪｉｎａｎＣｉｔｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ２５０１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＷｅｉｆａｎｇＥｎ舀ｎｅｅｆｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＱｉｎｇｚｈｏｕＣｉｔｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ２６２５００，Ｃｈｉｎａ）ｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｓｃｒａｐｖｅｈｉｃｌｅｓ，ａｒｏｂｏｔｉｃｔｏｏｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｗｈｅｅｌｓｆｒｏｍｔｈａｔｔｈｅｓｃｒｅｗｎｕｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｔａｋｅｎｏｆｆ．ＴｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｔｏｏｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＰｗ／Ｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｉｎ—Ｏｉｌｔｅｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｉｓｄｏｎｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｍｏｄｉｆｉｅｄｗｈｅｒｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔ．ＴｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｌａｍｐｉｎｇａｒｎｌｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｏｏｌｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｗｉｔｈＦＥＭｓｏｆｔｗａｒｅＡＢＡＱＵＳ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｏｏｌｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｇｒｅａｔｌｙ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｅｎｄ－ｏｆ－ｌｉｆｅｖｅｈｉｅｌｅｓ；ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ；ｒｏｂｏｔｉｃｔｏｏ｝；Ｐｒｏ／Ｅ；ＦＥＭ；ＡＢＡＱＵＳＯ引言近年来，随着汽车工业的迅速发展，报废汽车拆卸是建立在轮毂螺母已完全拆卸的基础上的，根据报废汽车自动化拆解线的要求和车轮拆卸的实际情况．设计的具体要求为：（１）抓取对象为汽车车轮，轮毂的直径一般在１５～２２英寸之间（３８１～５５８．８ｍｍ）ｍ，车轮的直径一般在６００。８００ｍｍ之间，车轮质量一般为１０—３５ｋｇ。（２）能够快速从汽车上把车轮取下，要求能够适应自动化拆解。（３）把取下的车轮放置到规定地方．并按规定的方式码垛。１．２自由度的分配的数量也与１３剧增。但国内报废汽车拆解业起步较晚，拆解设备的研制几乎处于空白状态。落后的拆解方式、原始的拆解手段直接导致资源的浪费和环境的高度污染。报废汽车能否合理处理，资源能否被充分有效地利用，拆解工具是至关重要的一个环节。报废汽车拆解工具技术，日益成为业内关注的焦点【ｌ】。文章在报废汽车轮毂螺母拆卸完成的基础上，以拆卸车轮为例，设计了自动拆卸车轮的机器人工具。１机器人工具拆卸车轮时需要工具对车轮进行多角度夹持和堆放，同时考虑到车轮的直径在６００—８００方案设计设计机器人工具，首先要考虑所设计的机器１．１方案要求人工具对被抓拿物体的轮廓尺寸和形状的适应性与抓取的准确性（闭合精度）和夹紧力。这是设计的出发点，也是评定机器人工具的特有准则。该机器人工具是针对报废汽车车轮的拆卸，它对车轮的收稿１３期：２０１３—０５—２９修回日期：２０１３—０５—２０ｍｍ之问．最终确定该机器人工具需要有三个自由度，一个自由度为手爪的转动，用来控制车轮被拆卸后可以绕垂直于车轮轴线进行３６０。旋转，其余的两个自由度为连杆和夹持臂所有，用来控制车轮的夹紧。１．３方案描述该工具由手爪、夹持臂、连杆机构、支座、液压缸以及驱动元件组成。它可以实现的动作为手爪转万方数据第５１卷第９期卢绪振等：基于报废汽车车轮拆卸的机器人工具设计研究７１动和连杆机构控制夹持臂的张开与夹紧。把该工具安装在机器人的末端，充分利用了机器人运动自由灵活和轨迹可精确控制的特点，同时也方便了在报废汽车自动化的拆解线进行车轮的拆卸和放置。参考同类末端执行器的性能参数。进行主尺寸和运动范围的确定，考虑到机构可行前提下有尽可能大的作业范围。根据设计要求及其使用范围，定出该工具的主要性能参数如表１所示。表１车轮机械手主要参数Ｔａｂ．１Ｔｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ别进行实体模型构建，见图２。ＰＲＯ／Ｅ软件具有三维模型构建、实体虚拟装配、运动机构仿真及有限元分析等功能，可以很好地实现对报废汽车车轮拆卸机器人工具的建模。基于特征建模的全相关性和参数化是ＰＲＯ／Ｅ建模的特征，全相关性是软件的所有模块都是全相关的．在设计过程中任何一处的修改都能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、图纸以及制造数据。以确保所有零件和各个环节保持一致性；参数化是指用用户熟知系的特征作为产品几何模型的构造要素。通过给这些特征设置参数，然后只修改相关参数就可以进行多次设计迭代，实现产品的开发设计［３１。１．４结构设计与分析车轮机械手是机器人的末端装置．主要用于车轮的拆卸、码垛。首先要保证其在运动过程中夹持车轮稳固，其次要保证其结构部件在运动过程中必须满足强度要求。车轮机械手的整机模型包括手爪、夹持臂、连杆机构、液压缸及支座等机构，其结构简图如图１。其中，手爪、夹持臂、连杆机构等对称分布于轮胎机械手两侧。各个机构的零部件通过约束联系起来。液压缸带动连杆实现夹持臂的张开与夹紧，从而形成一个可以根据具体目标完成特定任务的机械手。座图２车轮机械手模型Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｗｈｅｅｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ２．２干涉检验为了检测工具模型里各零部件之间是否发生干涉，需要对工具模型进行干涉分析。干涉分析在产品开发设计中占有相当重要的位置，经过干涉分析，可以发现产品设计中出现的问题，及时修改设计方案，缩短了产品开发周期。Ｐｒｏ／Ｅ软件里的干涉分析包括静态干涉分析和动态干涉分析，在这里主要对工具模型进行静态干涉分析。即分析哪些零部件发生干涉以及干涉量的大小。在初次构建的工具模型进行静态干涉分析，分析结果如图３所示，发现连杆和液压缸的连接夹持臂爪图１车轮机械手结构简图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｗｈｅｅｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ２机器人工具模型构建根据上述机器人工具的功能要求和结构设２．１实体建模计，利用ＰＲＯ／Ｅ软件的ＣＡＤ模块对工具部件分图３静态干涉检验模型Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｓｔａｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｔｅｓｔ万方数据７２农业装备与车辆工程部位用红色高亮显示，说明两零部件之间有干涉出现。根据干涉检验提供的信息，对连杆和气缸的相关尺寸进行修改。最后得到完全没有干涉的模型，如图４所示。首先定义材料，在模块列表中选择属性功能模块．在主菜单中选择Ｍａｔｅｒｉａｌ－＋Ｃｒｅａｔｅ，弹出编辑材料对话框。在对话框中设置弹性模量和泊松比，其余参数不需改变，然后确定。在创建材料完成之后．需要进行创建截面属性和给部件赋予截面属性。３．３网格划分网格划分是有限元分析中非常关键的一个步・零件的自动再生已经完成．・在计篁骤．网格划分的好坏将直接影响计算结果的准确性和计算进度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。对于三维模型，可供选择的单元形状有Ｈｅｘ（六面体单元）、Ｔｅｘ（四面体单元）和Ｗｅｄｇｅ（楔形单元），Ｈｅｘ（六面体单元）可以用较小的计算代价得到较高的计算精度［４／。所以单元形状选择六面体（Ｈｅｘ）单元。ＡＢＡＱＵＳ软件的网格划分技术包括Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ（结构化网格）、Ｓｗｅｅｐ（扫略网格）和Ｆｒｅｅ（自由网格），其中自由网格是最为灵活的网格划分技术，几乎任何几何形状的模型都可以采用这种方法来完成网格划分而不会出现问题，但自由网格的单元“硬度”较大，对于几何形状过于复杂的模型．采用自由网格划分有时会导致单元出现畸异而引起求解困难［５１。Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ（结构化网格）一般采用Ｈｅｘ单元，分析精度相对较高。为保证求解的精确性，这里选择结构化网格划分技术。网格划分之后的模型如图５所示。・煳¨＇‘已执行图陵有零件．图４模型修改后的干涉检验情况Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｅｌｍｏｄｉｆｉｅｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ３机器人工具关键部件的有限元分析３．１夹持臂模型的导入ＡＢＡＱＵＳ是功能强大的有限元分析软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统模拟非常复杂的模型，处理高度非线性问题。但ＡＢＡＱＵＳ软件建立模型的功能不强．所以在这里选择将在Ｐｒｏ／Ｅ软件里构造的三维模型导人ＡＢＡＱＵＳ软件里使用。为了两软件实现无逢链接，模型导入ＡＢＡＱＵＳ之前需要进行格式转换。ＡＢＡＱＵＳ软件兼容性最好的格式是．ｘ＿ｔ。所以首先将Ｐｒｏ／Ｅ中构建的夹持臂模型保存为．ｘ＿ｔ格式，然后在ＡＢＡＱＵＳ软件里面通过导入文件的方式将模型导人。由于夹持臂结构相对比较简单，导人之后的模型没有信息丢失。在导人模型时，为了使导人的模型在ＡＢＡＱＵＳ软件里面比较精确地呈现．在ＰＤｏ／Ｅ软件里将不应影响分析的倒角、倒圆角等细节结构去掉，即模型的简化。通过格式转换，将夹持臂模型导人ＡＢＡＱＵＳ中，实现了二者之间的无缝连接。真正实现了ＣＡＤ／ＣＡＥ的一体化。３．２材料设置图５夹持臂网格模型图Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｍｅｓｈｍｏｄｅｌｏｆｃｌａｍｐｉｎｇａｒｒｎ连杆的材质为４５号钢．根据ＧＢ／Ｔ６９９—１９９９标准查得它的机械性能如表２所示。表２４５号钢的材料属性Ｔａｂ．２Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ３．４约束与加载ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ４５ｓｔｅｅｌ根据夹持臂与支座的连接情况，将夹持臂与支座销轴铰接孔的的内表面设置为全约束。车轮机械手在工作过程中，夹持臂承受来自连杆的推力、支座销轴对它的阻力和手爪对它的作用力。夹持臂施加约束和载荷的结果图如图６所示。机械性能竺竺兰罂饕篓类型型号石赢圆钢Ｃ４５２０００００泊松比抗拉强度屈服强度伸长率断面收／＇ＭＰａ０．３６００／ＭＰａ３５０，％臻率，％１６４０万方数据第５１卷第９期卢绪振等：基于报废汽车车轮拆卸的机器人工具设计研究７３５结论本章主要讲述的是自动拆卸车轮的机器人工具建模及性能校核。利用ＰＲＯ／Ｅ软件构建各零件模型，然后将各零件装配起来，并对装配起来的机器人工具进行干涉检验．对装配体中存在的干涉问题进行修改；使用有限元分析软件对工具的关键部件——夹持臂进行有限元分析，找出受力最大节点、受力最大区域．从而对结构进行合图６夹持臂约束和加载模型Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｌｏａｄｍｏｄｅｌｏｆｃｌａｍｐｉｎｇａｒｍ理的改进。参考文献【ｌ】马玉峰，张庆霞．一类用于螺纹连接件分解机构的设计叨．机械，２００２，２９（增刊１）：１８５．【２】郎全栋，聂忠义，伏桥．国产和进口汽车轮胎规格代号的表示方法【Ｊ］．汽车与配件，１９９７（１）：４３—４４．【３】林清安．完全精通Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ野火４．０中文版零件设计基础入门【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００９．【４】石亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解【Ｍ】，北京：机械工业出版社．２００７．３．５结果分析与优化横梁应力和位移云图如图７所示。最大应力出现在夹持臂与支座的连接处，其最大值为４２．６８７ＭＰａ，材料的许用应力值为１８０ＭＰａ，很明显强度足够。最大位移出现在夹持臂的末端，其最大值为０．３０８ｍｍ。满足刚度要求。［５】李艳芳．报废汽车拆卸机器人工具设计与技术研究【Ｄ】．南京：南京航空航天大学．２００９．作者简介卢绪振（１９８３一），男，山东临沂人，助理工程师。主要从事农业装备技术研发工作。（ａ）应力云图（ｂ）位移云图图７夹持臂分析结果Ｆｉｇ．７Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｌａｍｐｉｎｇａｒｍ（上接第６９页）４总结本文只是对牵引式翻抛机基本结构的设计进行了探讨，对翻抛机缺乏更深入的理论研究，还存在一些问题需要进一步探讨，主要体现在以下几个方面：１）由于系统理论研究较少，使得翻抛机设计存在较大的盲目性，系统的可靠性和对堆肥物料的适应性需进行实践嘲。３）对刀辊抛刀排布的合理性缺乏理论分析。参考文献［１】樊洁，王亚东＿生物有机肥翻堆设备的现状与发展【Ｊ】．农业机械，２００７（２Ｂ）：５２－［２１刘永超，钟波・有机肥翻抛机研究现状与发展趋势分析叨・农【３】詈篡：翟：：≥笔轰堆肥用翻抛机的研究现状与展望【Ｊ】，农机化研究．２０１２。３４（２）：２３８—２４０．作者简介阂令强（１９６８一），男，高级工程师，主要从事农业装备的研发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｎｇｌ９７９＠１６３．。。ｍ２）对抛刀的翻抛机理缺乏理论研究，未能从抛刀对肥料的切削变形和抛掷运动角度来分析研究抛刀的合理几何结构【３】。万方数据