马鲁豪 张玉华随着国民经济的发展，钢管的产量与日俱增，2015年我国钢管产量达到了9 827 万t，2016 年首次突破1亿t。钢带打捆装置是钢管生产过程中十分重要的设备，主要用于对钢管的打捆包装。传统的钢带打捆设备只能采用标准成捆钢带，未能解决对由残次钢管回收制成的废钢带的利用问题，无法满足钢管生产企业的加工需求。针对这一问题，本文以六角钢管包为研究对象，研究并设计一种新型的适合钢管生产企业使用同时又能采用废钢带加工包装的钢带打捆机械手装置。其通过对残次钢管的再利用，降低了钢管的生产成本，而且可与传统钢带打捆设备相互补充，完成对钢管的打捆包装。1 传统钢带打捆装置的结构组成及其局限性传统钢带打捆机如图1 所示，其结构组成并不复杂，且稳定性好，工作效率高，在钢管生产过程中发挥着重要作用。然而随着国家对节能减排的大力提倡，传统钢带打捆机逐渐显示出其局限性。图1 传统钢带打捆机目前国内的钢管生产企业对钢管生产过程中产生的残次钢管有两种处理方式：1）直接回炉；2）将残次品回收利用，对其进行切剖、碾压和切割制成废钢带后对钢管进行打捆包装。实践证明第二种方式比第一种成本低。传统的钢带打捆机采用标准的成捆钢带，废钢带并不适用于目前的钢带打捆机，需人工打捆。此外，成捆的标准钢带成本较高，一般用于包装质量较好的钢管，而对于质量一般的钢管，如暖气管、水管等，采用废带包装可以降低成本。2 新型钢带打捆机械手的设计依据新型钢带打捆装置是利用废带对钢管进行打捆包装的设备，废带非连续且成条状，不同于标准的成捆钢带，故其钢带打捆的方式与传统方式有所不同。此外，钢带打捆装置的设计与钢管包装的形式相关。因此，在新型钢带打捆装置的设计过程中，需以此作为设计依据。2.1 新型钢带打捆装置的打捆方式目前，国内对废带的处理仍是采用人工打捆的方式，通过实地对人工打捆方式的调研和对人双手环抱取放或捆扎物体方式的观察及过程分析，并运用仿生学原理，提出一种将钢带打捆技术与机器人技术相结合的打捆方式，研究并设计了一种仿人双臂三自由度新型钢带打捆机械手设备。该设备可实现废带打捆包装的工作要求，并可取代人工打捆的方式，降低了工人劳动强度，提高了工作效率，节约了生产成本。2.2 六角钢管包关键参数计算 图2 所示为六角钢管包示意图，其关键参数为周长和高度。图2 六角钢管包示意图2.2.1 六角钢管包的周长在生产过程中，由于钢管型号的不同，六角钢管包的大小也有所不同，其大小可由钢管包周长表示。另外，钢管包的周长又决定着所用钢带的长度（钢带的长度一般大于或等于钢管包的周长）。因此，六角钢管包的周长为关键参数，对其进行计算十分必要。六角钢管包的周长由钢管直径和单边钢管根数决定，且满足S = 6(n 1)d + πd （1）式中：S 为六角钢管包周长，n 为单边钢管根数，d为钢管外径。2.2.2 六角钢管包的高度当六角钢管包大小变化时，其高度H 也随之变化，新设备的设计需要满足此要求，因此，高度H 也成为关键参数之一。设正六边形的边长为l ，则本文主要对外径为21.3~114 mm 系列钢管进行研究，由式（1）和式（4）可得到表1。3 新型钢带打捆机械手的整体设计3.1 整体结构设计新型钢带打捆机械手在工作过程中需实现三项功能：1）对废钢带两端进行抓取，此项工作需要通过对抓取点进行位置识别；2）对六角钢管包进行打捆，此项工作需使钢带受力变形为仿六边形，满足包装条件；3）对变形后钢带进行拉紧对接，以便于后续焊接工作。根据以上三项功能，设计新型钢带打捆机械手的结构。图3 为基于ADAMS 新型钢带打捆机械手的模型，图4为结构简图。（a）初位置 （b）末位置图3 新型钢带打捆机械手模型图4 新型钢带打捆机械手结构简图图4 中，实线部分为初位置状态，虚线部分为末位置状态；L 1、L 2、L 3 分别为杆1、杆2、杆3 的长度，其中杆1 与地面、杆1 与杆2、杆2 与杆3 分别通过转动副连接，并由伺服电机控制；E 1、E 2 分别为初位置状态下机械手对废钢带两端的抓取点，S 表示六角钢管包的周长，H 表示钢管包的高度，S 2 表示末位置状态下机械手对钢带的抓取点与钢管包对称线之间的距离，其大小需要考虑机械手钢带抓取机构的结构及大小，范围在50~100 mm 之间，且不同型号的钢管包有其特定的取值。3.2 初、末位置状态下关键参数的设计计算新型钢带打捆机械手的整个工作过程由各关节处的伺服电机驱动各杆件转动而形成，故各个杆件从开始位置到最终位置所转过的角度为关键参数。而新型钢带打捆机械手本质上是一种平面三自由度串联式关节机械臂设备，设杆1、杆2、杆3 分别转过的角度为φ 1、φ 2、φ 3，则对φ 1、φ 2、φ 3 的计算可通过在各关节处建立基坐标系、杆件坐标系、手部坐标系和D-H 参数矩阵分析法求出，见图5。图5 新型钢带打捆机械手连杆坐标系由图3 可知，设备左右结构对称，故可只对一侧（右侧）进行设计计算。图5 中，x 0o 0y 0 为基坐标系，x 1o 1y 1、x 2o 2 y 2 分别为相邻连杆之间的杆件坐标系，x 3o 3 y 3为手部坐标系；α 1、α 2 分别为初、末位置下手部坐标系x 轴正方向与基坐标系x 轴正方向的夹角，其为两定值，大小由杆3 的初、末状态位姿决定；θ 1、θ 2、θ 3 分别为初位置状态下各杆件与相应坐标系x 轴的夹角，θ 1、θ 2、θ 3 分别为末位置状态下各杆件与相应坐标系x 轴的夹角。由表1 及其对实际工作状况的分析，可确定各参数的取值范围，如表2 所示。3.2.1 初、末位置的手部位姿矩阵设手部姿态矩阵和位置矩阵分别为初、末位置的位姿矩阵分别由相对应的α 1、α 2 及S 1、S 2、H、H1 的大小决定，则由式（5）可得初位置的手部姿态矩阵和位置矩阵分别为末位置的手部姿态矩阵和位置矩阵分别为式中：sα 1=sinα 1，cα 1=cosα 1；sα 2=sinα 2，cα 2=cosα 2。3.2.2 求解φ 1、φ 2、φ 3根据对θ 1、θ 2、θ 3 和θ 1、θ 2、θ 3 的定义，得各连杆初、末位置相对转角φi = │θi-θi │ (i =1,2,3) （8）利用D-H 参数法求解θ 1、θ 2、θ 3。D-H 参数法可求解设备在任意状态下的关节变量qi（i =1,2,3），本设备所需要求出的关节变量qi（i =1,2,3）即为θi（i =1,2,3）。由图6 可得该设备的D-H 参数，见表3。该设备手部坐标系相对于基坐标系的齐次坐标变换下的位姿矩阵为相邻杆件之间的位姿矩阵为将式（6)、式（7）分别代入式（13) ~ 式（16），可求出与初、末位置状态相对应的θ 1、θ 2、θ 3 和θ 1、θ 2、θ 3，进而通过式（8）求出各连杆的相对转角φ 1、φ 2、φ 3。4 新型钢带打捆机械手关键部件的设计新型钢带打捆装置手部对废带的抓取是较为关键的技术。通过实践得出，单纯对钢带靠抓取、压紧而产生的摩擦力无法保证对钢带的仿形捆扎及其拉紧对接等功能的实现；而通过对钢带进行咬切破坏，从而使抓取机构与钢带之间产生“咬合结构”，可以完成这一过程。因此废带抓取机构（此处又可称为“咬爪机构”）是新型钢带打捆机械手的的核心部件，其设计十分重要。4.1 咬爪机构的结构设计咬爪机构需要对钢带进行咬合，使机械手对钢带获取较大的抓取力，并配合后续各杆件角位移的完成；实现对废带的捆扎、拉紧对接及其焊接过程后，咬爪机构复位松开对钢带的咬合，对钢管的打捆包装过程完成。通过对新型钢带打捆机械手打捆过程的分析，咬爪机构需要完成四个动作，即夹紧、咬切、咬合和复位，因此，初步设计其结构如图6 所示。1. 气缸连接件 2、3. 副杆 4、5. 连杆 6、7. 副连杆8、9. 咬刀 10. 咬块压板 11. 支撑架 12. 咬块13. 咬块螺丝 14. 压块图6 咬爪机构示意图咬爪机构为左右对称结构。当气缸驱动时，其推动气缸连接件向下运动，推力由铰链I （J ）传递给连杆；在与副杆的共同作用下，经由铰链G（H）又传递到副连杆上；经过铰链E （F ），推力进入咬刀；咬刀绕着固定铰链C （D）进行回转运动。当气缸连接件下移到一定的位置时，咬刀上的咬刀面A（B ）与钢带接触并将其托起，继续下移时，则咬刀与咬块完成对钢带夹紧动作；随着气缸的持续驱动，咬刀面A（B ）与咬块共同作用对钢带进行咬切，直至将钢带咬断，并与钢带咬合。咬合后的钢带如图7 所示。图7 咬合后的钢带（右侧抓取端）示意图4.2 咬爪机构的力学分析咬刀与钢带接触前，咬刀切面不受力，即为张开状态；当咬刀与钢带接触后，逐步完成钢带的夹紧、咬切及咬合过程中，咬刀切面受到来自钢带和咬块的挤压力，即为压紧状态。因此，对咬爪机构的力学分析是对其在压紧状态下的受力分析。图8 所示为咬爪机构在压紧状态下的机构简图，其中α、β、γ、θ ∈ ［0，90］。4.2.1 关键铰链的力学分析对铰链的力学研究，可掌握力在机构中的传递特性。咬爪机构中，较重要的铰链有E（F ）、G（H）和I（J ）。由于机构左右对称，两端受力情况相同，可只分析一侧,这里只分析左侧机构。图8 压紧状态下咬爪机构简图气缸连接件及其铰链I（J ）的受力分析如图9 所示。图中，FP 为气缸施加给连接件1 的推力，FGI 和FHJ 分别是铰链I、J 对气缸连接件的作用力，则三者之间存在以下关系图9 铰链I （J ）的受力示意图铰链G 的局部受力分析如图10 所示。图中，FIG、FEG 和FKG 分别为连杆、副连杆和副杆对铰链G 的作用力。其中，FIG 与FGI 大小相等，方向相反，通过对力的分解，则有图10 铰链G 的受力示意图副连杆6 与咬刀8 通过铰链E 连接起来，而咬刀实质上是一个杠杆结构，因此对铰链E 的研究无需分析咬图10 铰链G 的受力示意图刀对铰链的作用力，只需研究副连杆6 通过铰链E 对咬刀8 的作用力，即FGE，如图11 所示。FGE 与FEG 大小相等，方向相反。FnGE 是FGE 的一个分力，与咬刀8 垂直，故其实质上是杠杆（咬刀8）的动力。根据图11，有图11 铰链E 的受力示意图4.2.2 咬爪机构的增力比计算咬爪机构需要最终将钢带咬断，这需要较大的咬切力。由于咬爪机构固定于打捆装置的副杆上，对其大小有严格的要求，故本结构摒弃在动力源（气缸）与咬爪机构之间加入增力机构的设计方案，将咬爪机构直接设计为增力机构，故咬爪机构的设计实际上就是增力机构的设计。为了获得较大的增力比，本结构采用三次增力的方式，即单臂铰杆（连杆）- 双臂铰杆（副连杆和副杆）- 杠杆（咬刀）串联组合。以机构左侧为例，通过连杆，驱动力由FP 增大至FGI，再经过副连杆和副杆又增大到FEG，最后通过咬刀输出最终的咬切力FA。对咬刀的受力分析如图12 所示。由图12 可得图12 咬刀8 的受力示意图根据副杆3 的尺寸、钢带宽度（30~40 mm） 及厚度（2~4 mm），可以初步设定出L 1=45 mm、L 2=10mm。当咬刀面对钢带进行咬切时， 测得α =15、β =40、γ =41、θ =58，带入式（23）得增力比5 结论新型钢带打捆机械手是一种针对由残次钢管制成的废钢带的打捆包装设备。该设备可解决钢管生产企业实际生产过程中对废钢带的利用问题，以废带自动打捆包装代替人工废带打捆，降低了工人劳动强度，提高了工作效率，节约了生产成本。同时，新型钢带打捆机械手与传统钢带打捆设备分工不同，在生产实际中可相互补充、相互配合，完成对钢管的打捆包装。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 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