摘 要： 以国产KR⁃70004⁃PAX抓取型机械手装置为研究对象，运用电阻应变片式位移传感器及PLC⁃300数据采集系统，对机械手臂实际码跺过程中的时间段进行了测量分析。结果表明：机械手装置的作业半径、抓取重量大小因素变化对机械手臂主应力变化有较大的影响，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm；当正常的作业半径为2 000 mm，工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。
关键字： 机械手臂； 农用机械； 应力分析； 主应力测试
中图分类号： TN06⁃34； TH114 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）15⁃0130⁃03
Principal stress testing experiment and analysis of machinery arm in agriculture
CHEN Chao1， LÜ Xiao⁃xue1， YI Xiao⁃kang2， HU Can2
（1. Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Supervision， Alar 843300， China； 2. School of Mechanical Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）
Abstract： Taking domestic KR⁃70004⁃PAX grabbing type manipulator device as the object of study， time of the mechanical arm in actual handling process were measured and analyzed by means of resistance strain type displacement sensor and PLC⁃300 data acquisition system. The results show that the manipulator device′s operation radius and grabbing weight factors have great influence on the principal stress change of mechanical arm. The principal stress increases sharply by 6000 N/mm at the moment of starting when the operation radius is 3000 mm. The principal stress can reach 5300 N/mm when the normal operating radius is 2000 mm and the weight of work piece is 350 kg.
Keyword： mechanical arm； agricultural machinery； stress analysis； principal stress testing
0 引 言
目前，随着农业机械化生产的不断推进，在农业生产过程中，码跺垛码机械手装置得到了广泛的应用。特别是在牧场草堆码跺、棉花等作物桔杆码跺、甚至棉花加工厂的码跺作业均应用到机械手的作业。然而，码跺作业一般为重复连续性作业，实际应用时，机械手装置的故障率较高，特别是疲劳性过载，机械手臂的应力变形随着使用的时间呈变形过大的情况，甚至影响机械手装置的整体性能；而在垛码机械手装置中，机械手臂应力损害是机械手装置最难修复的应力故障。垛码机械手装置一般为重载型作业，负载要求范围在300～1 300 kg之间，并且机械手装置工作范围在2 600～3 500 mm之间，特别是一些卸码垛作业的机械手装置中，机械手装置工作范围要求均超过3 000 mm。机械手装置的工作范围决定了机械手臂的作业半径，作业半径越长，机械手臂所承受的应力变化越大。在目前的机械手的研究中，国内主要集中在机械手臂的动力学研究上，对机械手臂的应力分析也局限于静态的受力分析，缺少实际应用中的应力数据，对实际应用中的机械手臂主应力的变化情况不明[1⁃4]。
针对目前重载型机械手臂的应力损害情况和实际应用中的应力变化研究现状，以新疆生产建设兵团第一师农场进行棉花桔杆码跺的机械手装置为研究对象，进行机械手臂的主应力测试试验，分析在不同工况条件下主应力的变化情况，为机械手臂的设计与应用提供参考依据。
1 主应力测试试验的方法与条件
1.1 测试试验的对象
新疆建设兵团第一师农场码跺机械手采用的是上海易升设备公司生产的国产KR⁃70004⁃PAX抓取型机械手装置，其最大码跺负荷能力在350 kg，最大工作半径为3 000 mm，末端执行器为爪型方式进行打捆桔杆的码跺，控制系统采用PLC⁃300作为核心控制单元，根据机械手装置的特性，以重复性顺序控制为主。
主要的机械手臂结构简图如图1所示，机械手臂由两节伸缩臂组成。机械手手臂截面结构如图2所示，工作时，机械手臂表面任意一点的主应力均为最大值。
图1 机械手手臂结构简图
图2 机械手手臂I⁃I截面结构图
1.2 应力测试的系统设备
应力测试系统设备主要包括两部分：一部分为机械手臂部位主应力测量传感器的现场布置和应力信号的放大与传送。另一部分是以PLC为核心的测量控制系统，包括应力数据的处理、画面的显示、应力过载值报警的输出等，具体的系统框图如图3所示。
图3 机械手臂应力检测系统框图
根据机械手臂的工作特点以及负载能力，采用电阻应变片式位移传感器作为主应力的测量传感器，应变片式位移传感器通过信号采集放大后，传送至机械手PLC系统进行数据的处理与分析[5]，根据应力变化情况启动机械手装置的保护电路，同时，采集信号通过人机画面进行实时的显示。
1.3 机械手臂主应力测试点的布置与计算
在机械手装置进行码跺作业时，物料对机械手臂的应力影响主要为弯扭组合变形，根据应力⁃应变广义胡克定律，机械手臂构件表面任意一点处于平面应力状态，并且在同一直线构件上，主应力的大小不变。通过这一原理，在机械手手臂构件表面布置一种直角形应变片结构，可测量出主应变力大小[6⁃8]，具体的应变片布置如图4所示。I⁃I截面在[A，][B，][C，][D]四个测试点布置直角形应变片结构。图4中，直角形应变结构由+45°方向的应变片、0°方向的应变片和-45°方向三个应变片组成，当机械手臂构件产生变形时，应变片可反馈出三个方向的线应变值，并通过变送器将应变值传送回PLC系统。
根据被测点三个方向应变值[ε45°，ε0°，ε-45°，]计算主应力大小公式为：
[σmaxmin=E2（1+μ）（ε-45°+ε45°）±E2（1+μ）（ε-45°-ε0°）2+（ε0°-ε45°）2] （1）
式中：[σ]为主应力的最大值与最小值；[E，][μ]为机械手臂材料的弹性模量和泊松比。
则计算主应力的方向公式为：
[tan2∂=2ε0°-ε-45°-ε45°ε-45°-ε45°] （2）
式中：[∂]为主应力方向与应变片（-45°）方向的夹角。从式（1）、式（2）中可知，在已知材料的[E，][μ]而不必已知载荷及横截面尺寸的情况下，用实验手段方法就可测得构件表面主应力大小及方向。
图4 I⁃I截面应力布置展开图与应力受力情况图
1.4 机械手臂主应力测试的步骤
应力测试试验根据机械手臂的作业半径和抓取工件的重量大小进行单因素影响试验，以测试不同作业半径下对机械手臂主应力的影响和不同工件重量下对机械手臂主应力的影响。
（1） 作业半径根据车间的常用作业情况，选取作业半径分别为2 000 mm，2 500 mm及最大作业半径3 000 mm进行作业半径单因素影响测试。
（2） 根据抓取工件的重量，选取200 kg，300 kg和350 kg进行抓取重量单因素影响测试。
（3） 在进行主应力的实际测量时，根据车间生产时的实际工况对机械手臂的运动时间段进行划分，分别记录抓取工件物料时、起动瞬间，稳定时、移动过程及下放过程各时间段的应力变化情况。
2 应力测试的结果与讨论
根据测试实验得出的各应力数据，进行主应力的计算与统计，可得到作业半径、抓取重量两种因素影响下的应力变化情况。
图5所示为机械手臂使用工作半径为2 000 mm时的主应力变化情况。机械手装置的一个工作时间段为20 s，当 [t=]1.2 s时为起动瞬间。从图中可以看出，不同的抓取重量对主应力的影响明显，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。同时，对于起动瞬间[t=]1.2 s时的主应力变化影响最为明显，当工件重量为200 kg时，起动瞬间最大主应力为3 450 N/mm。
图5 工作半径2 000 mm时的主应力变化情况
图6和图7所示分别为机械手臂使用工作半径为2 500 mm和3 000 mm时的主应力变化情况。
图6 工作半径2 500 mm时的主应力变化情况
与图5相比，当不同抓取重量时，机械手臂各运动时间段内的曲线变化情况基本一致，均在机械手装置抓取工件的起动瞬间主应力值变化最大。不同的是，不同的工作半径下，主应力变化曲线的最大值有所不同，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。
图7 工作半径3 000 mm时的主应力变化情况
图5～图7中的数据表明，主应力的变化情况与工况条件、机械手臂作业半径密切相关。当作业半径较少时，主应力的变化值区间明显减小；而当作业半径达到最大时，机械手臂的整个运动时间段的应力变化明显增大，并且在起动瞬间达到最大值。
3 结 论
应用KR⁃70004⁃PAX抓取型机械手进行了机械手臂的应力测试试验，得出了机械手装置的作业半径、抓取重量大小因素变化对机械手臂主应力变化的影响规律。
（1） 机械手臂的主应力变化与作业半径成正比的关小，在相同的抓取重量下，作业半径越大，机械手臂承受的应力值越大，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。
（2） 机械手臂的主应力变化与抓取重量大小成正比关系，在相同的作业半径条件下，不同的抓取重量对主应力的影响明显，在正常的作业半径2 000 mm时，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。
（3） 在机械手臂的一个运动时间段周期应力变化中，不论什么工况条件与作业半径，在抓取工件后的起动瞬间主应力值达到最大值。因此，起动瞬间的主应力变化值可作为机械手设计的参考依据。
注：本文通讯作者为弋晓康。
参考文献
[1] 刘海顺.基于磁各向异性特性应力测试的理论与方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.
[2] 李金恒，肖慧，胡志华.基于ADAMS的机械手臂运动仿真分析[J].机床与液压，2009，37（8）：206⁃209.
[3] 吕广明，孙立宁，张博.五自由度上肢康复机械手臂的运动学分析[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（5）：698⁃701.
[4] THOMAS G， KRUM S. Control of cooperating mobile manipulators [J]. IEEE Transaction on Robotics and Automation， 2002， 8（1）： 94⁃103.
[5] 姚娟，张志杰，李丽芳.基于LabVIEW和TCP的数据采集系统设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（7）：72⁃74.
[6] 罗佳，孙运强.CAN总线技术在车辆悬架动态应力测试中的应用[J].自动化仪表，2013，34（11）：80⁃84.
[7] 赵志刚，赵伟.基于动态不确定理论的多传感器系统传感器失效检测方法[J].传感技术学报，2006，19（6）：2723⁃2726.
[8] 马胜前，郭倩，范满红.中继检测电路在多传感器数据融合中的应用[J].传感器与微系统，2013，32（3）：150⁃152.
[9] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.