平动式轻型装卸机机械手的优化设计
收稿日期: 2003-03-10
作者简介: 林建龙( 1963- ) , 男, 江西上饶人, 硕士, 从事机械学研究.
林建龙等 平动式轻型装卸机机械手的优化设计 研究·设计
文章编号: 1005-2895( 2004) 01-0057-03
平动式轻型装卸机机械手的优化设计
林建龙, 王小北
( 北京工商大学机械自动化学院, 北京 100037)
摘 要: 应用复合型优化设计方法, 对平动式轻型装卸机机械手的平行四边形连杆机构进行了优化设计。优化设计的结
论可应用于机械手的总体设计。
关 键 词: 机械手; 杆长比; 优化设计
中图分类号: T H243 文献标识码: A
1 前 言
近年来, 美国出现了一种称之为强力手臂的装卸
机械, 这种机械一般固定在地面上或固定在行走小车
上, 起重的驱动方式采用液压或气动。起重臂端部可安
装各种机械手, 用以抓取箱型物品、桶型物品或板型物
品。与之相对应, 我们研制了轻型装卸机, 本文设计的
机械手是轻型装卸机的组件之一, 用以抓取纸箱及木
箱类包装的物品。它的总体结构为平行四边形连杆机
构, 由手臂、连杆和双驱动油缸三部分组成, 如图 1
所示。
图 1 双油缸铰链式机械手示意图
机械手各连杆杆长和杆长比及手掌尺寸影响其运
动的灵活性和液压缸驱动力的大小。本文采用复合型优
化设计方法, 对平行连杆机构的杆长和杆长比进行了优
化设计, 并在此基础上进行了机械手的总体设计。
2 机械手基本模型的分析
采用静态力学分析理论, 对机械手进行了力学分
析, 得出基本力学模型[ 1, 2] , 如图2 所示。其参数关系式
如下:
l 1—— 连杆铰链 CD 间距
l 2—— 机械手手掌宽度
l 3—— 连杆铰链 B D 间距
P 1—— 连杆 A C 所受拉力
P 2—— 连杆 B D 所受压力
P Y —— 液压缸轴向拉力
P Z —— 机械手载重
N —— 机械手手掌正压力
—— 机械手开合角度
—— 摩擦系数
图 2 机械手力学基本模型
( 1) 连杆 A C 所受压力P 1
P1 = P Zl 2
4l 1sin ( 1)
( 2) 连杆 BD 所受压力 P 2
P 2 = PZl 2
4l1sin- P Yl 3
l 1
2 + l 3
2 - 2l 1l 3cos
( 2)
( 3) 液压缸的轴向推力 PY
P Y = l 1
2 + l 3
2 - 2l1 l3 cos
2l1
P Z ( 3)
3 机械手优化设计数学模型的建立
机械手优化设计的目标就是在一定载荷的工况
下, 使液压缸轴向拉力最小, 并使机械手转动灵活, 从
而减小液压缸和机械手的整体尺寸和重量。
3. 1 设计变量
根据机械手结构的受力特点, 选择机械手连杆
CD 长度 l 1、连杆 BD 长度 l 3 为设计变量, 即:
·57·轻工机械 2004 年 第 1 期
林建龙等 平动式轻型装卸机机械手的优化设计 研究 设计
图 3 复合形法程序框图
x = x 1
x 3
= l1
l3
3. 2 目标函数
优化设计的目标就是当 PZ ( 载荷) 为
一定值时, 通过合理地选l 1、l 2 使 PY 取最小
值, 从而改善机械手的受力状况并减小液
压缸和机械手的总体尺寸。根据机械手基
本模型分析有:
P Y = l1
2 + l3
2 - 2l1 l3 cos
2l1
P Z
3. 3 边界约束
根据机械手抓取箱形物体工作行程 T
= 180 mm 的实际需要, 设计变量允许变化
的长度范围
100 ≤ l 1 ≤ 160
90 ≤l 3 ≤ 210
因此其约束
g1( x ) = 160 - x 1 ≥ 0
g2( x ) = x 1 - 100 ≥ 0
g3( x ) = 210 - x 3 ≥ 0
g4 ( x) = x 3 - 90 ≥ 0
3. 4 性能约束
根据机械手手臂抓取箱形物品工作行程 T = 180
mm 有[ 3]
l3 cosmin + l3 cos( - max ) = 180 mm
为了保证机械手手臂开合传动灵活, 应使机械手
平行四边形机构的最大开合角和最小开合角满足约束
条件:
55
180 ≤ ≤ 110
180
因此其约束
g5 ( x) = 110
180 - ≥ 0
g6 ( x) = - 55
180 ≥ 0
4 优化设计计算框图
根据机械手的优化设计模型和约束条件, 采用
C+ + 语言编制了优化设计程序, 其框图[ 4] 如图 3 所示。
5 优化设计结果
5. 1 连杆 CD 长度l 1、连杆 BD 长度 l3 优化设计结果
为:
X = X 1
X 3
= l 1
l 3
= 100. 004
115. 721
5. 2 液压缸拉力P Y 随机械手开合角 而变动, 其关
系如图 4。
图 4 液压缸推力和机械手开合角 的关系
6 结 论
根据优化结果, 选取机械手 CD 长度 l1 、机械手手
掌宽度l2 及连杆B D 长度 l3 以此为基础细化机械手结
构设计。选取适当的液压缸, 校核机械手手掌截面 I-I
的弯曲强度, 机械手采用板式框架结构, 加强筋板采用
封闭型空心截面型钢以提高机械手刚度, 从而确定最
优的机械手设计方案。这种方案的基板尺寸、液压缸行
程和总重量都明显优于传统方法设计的机械手, 重量
轻, 传力比好, 液压缸行程短, 利用平行四边形机构中
平动性质, 机构灵活, 机械效率高。
参考文献:
[ 1] 戴 同. 机构 与机械零 部件 CAD[ M ]. 湖北: 华中 理工大学 出版
社, 1996.
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·58· Light Industry Machinery
林建龙等 平动式轻型装卸机机械手的优化设计 研究·设计
1996.
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[ 6] E rdman and Sander. Mechanism design Analysis and synthesis
[ M ] . Landon: Prentics-Hall Inc. 1984.
Optimized Design of the Manipulator of Translation Light Loader
LIN Jian-long, WA NG Xiao-bei
( College of Mechanical Automation, Beijing Technology and Business University, Beijing 100037, China)
Abstract: For optimizing the design of the parallelogram mechanical linkage of the manipulator of translation
light loader, combinatorial optimization method is adopted in the overall design of the manipulator.
Key words: manipulator; linkage length ratio; optimized design
[ 信息·简讯]
·企业管理· 企业领导的领导艺术
企业领导是企业管理的灵魂, 企业管理是企业领导的基础, 企业领导指导企业管理, 企业管理保证企业发展。因此, 要发挥“灵
魂”的作用, 企业领导的领导艺术是多种多样的。
民主协商型领导艺术
民主协商型, 是企业领导的“我请你来做”的一种领导艺术, 也即是对话型领导艺术。这种领导艺术主要通过花费一定时间去听
取职工下属的意见和建议, 从而建立起信任、尊敬和忠诚, 让职工在影响自己的个人目标以及工作方式的决策中发表意见, 从而提
升组织上的灵活性和责任感。
物质激励型领导艺术
物质激励型, 是企业领导鼓励“你和我一起做”的领导艺术。这种领导艺术大多关注周围的职工, 重视个人及其情感而不仅仅是
任务和目标。这种企业领导努力使职工下属心情舒畅, 给他们工作上更多主动性, 在职工之间创造积极向上的氛围, 不轻易对职工
完成自己工作的方式进行不必要的责难, 而是给予最合适方式去工作的目的。人最基本的需要是物质需要, 人们追求的利益关系首
先也是物质利益关系。领导者运用的物质激励方式实施管理, 不仅满足下属职工的最基本需要, 同时也反映对下属职工表现与工作
成绩的肯定与认可, 表现出对下属职工生活条件与工作环境的关心, 所以能最迅速有效地调动他们的积极性。
制度说话型领导艺术
制度说话型, 是企业领导要求“你按我的规则做”的一种领导艺术。这种领导艺术以任务为中心, 职工下属要不可违拗地执行并
实现领导意图, 而领导者布置任务时既要以制度措施为依据, 又要做到具体明确, 便于职工下属操作。让制度来说话, 可以确保企业
领导的令行禁止, 上行下效, 可以省去人为的标准不一的人事关系麻烦, 让职工整齐划一地依照企业的规章制度去行事, 让下属完
全服从决策方式并使领导的思想理念、企业的生产任务, 管理的预期目标, 得到发挥、完成和实现。制度说话型艺术要达到效果, 需
要软管理与硬管理相结合, 因为再好的制度也是靠人去执行落实的。当企业处于改革转型时期、面临困境或者碰到危急关头, 这种
领导艺术往往起到速战速决的作用。
疏导教育型领导艺术
疏导教育型, 是企业领导的“我教你这样做”的一种领导艺术, 也是教练型领导艺术。这种领导艺术主要重在改善工作氛围以及
企业实绩成效方面有显著的正面作用。这种风格的企业领导能够帮助企业职工发现自己的能力和自身的弱点, 并将它们与职工个
人的职业发展联系在一起, 就像教练手把手教给队员运动技巧和场上作风等一样, 鼓励职工建立长期发展的目标, 帮助他们制定实
现目标的计划, 并给予大量的指导和反馈。这是以人为中心的领导方式, 具有启发性, 通过启迪职工的思想, 促使他们自觉采取符合
领导者意图的行为; 具有科学性, 通过多样的具体形式, 因人因事因时因地而异; 具有长期性, 通过长期不懈的教育引导, 培养职工
的企业精神和忠于企业的操守。疏导教育型领导艺术表现领导时刻对被领导者的关注, 在适当的时机和地点给予大量的指导, 借此
促进工作氛围各个方面得到改善。当职工知道企业领导在关注他的所作所为并不时疏导自己时, 他会放心大胆地工作, 主动去表现
自己, 以便进一步得到领导及时指导和鼓励。
榜样示范型领导艺术
榜样示范型, 是企业领导所倡导的“你跟我来做”的一种领导艺术。这种领导艺术是企业领导通过以身作则、率先示范的行动来
树立自己的权威, 依靠个人人格魅力的影响和职位上的优势来领导和带动职工下属。这种领导艺术还通过让职工了解自己的工作
是整个企业宏伟蓝图的一部分来激励他们, 并根据职工的业绩是否有助于蓝图的实现, 对其业绩和成效情况进行反馈, 从而实现职
工对企业目标和战略的认同达到最大值。榜样示范型领导艺术具有引导性与感染性, 通过领导者行为树立榜样力量, 引导职工下属
仿而效之, 产生领导者所期望的效果。
企业领导艺术在实践中有多种多样, 只有因人因地因时因事而异、实事求是, 有的放矢地运用各种领导艺术去指导员工, 教育
员工、激励员工, 你的企业领导水平才能发挥更大的作用, 你的管理工作才能显示出卓越的成效。
( 苏 欣)
·59·轻工机械 2004 年 第 1 期
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