分析易得，
－1 θ begin = π － θ0 － sin
(Ｒ
3
－ δ min Ｒ0
)
（1）
夹持物体施加给夹钳机构的反力， 与 F up / F down 大小相等， 方 F i， 向相反；F i， j 代表连杆 i 施加给连杆 j 上的力；其中， j 与 F j， i
8
机械设计与研究 2． 4 销轴尺寸计算
摘 要： 锻造操作机的发展水平是影响重大装备制造业发展的一个重要因素 。而夹钳机构作为锻造操作 它设计的好坏直接影响到整个锻造操作机的使用性能 。 针对锻造操作机的夹钳机构进行 机的重要组成部分， 研究， 进行了夹持机构的钳口设计以及运动学和静力学分析 ， 考虑传动角和结构设计等约束条件 ， 以更优的力 通过遗传算法对夹钳机构进行优化设计 。设计结果表明， 优化后的夹钳机构在满足性能需求 传递效率为目标， 的同时， 力的传递效率显著提升 ， 同时结构更加紧凑。 关键词： 锻造操作机；夹持机构；优化设计；结构设计干涉；力传递效率；遗传算法 文献标识码： A 中图分类号： TH132
如图 7 所示为夹钳钳口受力示意图， 根据清华大学试用 教材和上海交大锻造操作机教材所列钳口夹紧力的公式 可知：
▲图 3 夹钳钳口设计
［7 ］
，
现有钳口设计满足设计参数中对于夹持轴类直径的范 如图 3b。故仍采取原始的钳口设计方案 。分析可得 围要求， 到钳口销轴距夹钳轴线最小距离 δ min = 166． 5 mm， 钳口销轴 距夹钳轴线最大距离 δ max = 511． 8 mm。
▲图 8 夹钳机构整体受力分析
对于 6t /15t* m 操作机， 确定夹持力求解过程中参数取 15 t·m 4 = 2 500 mm；l = 320 mm； 值：G = 6 t × g = 6 × 10 N；L≈ 6t y= 2 ～ ) l， 取 y = 160 mm；μ = 0 ． 4 ；d = 800 （ mm） 。 (1 3 3 k1 ≈4 ． 71 ；k2 ≈5 ． 71 。 计算得， 销轴选取的原则， 要满足最大受力要求， 故根据下半部 （ 19 ） ， 分机构模型进行分析。再根据销轴受力表达式（ 18 ） ， （ 20 ） ， 求解工作空间内的最大解， 有： FA FC
。
1
1． 1
夹持机构设计模型
夹持机构设计参数 6 t /15 t* m 操作机夹持机构的设计参数如下： 最大负载重量为 6 t； 最大负载力矩为 15 t* m； 钳口夹持轴类直径范围为 175 ～ 800 mm。 Ｒ1 ， Ｒ2 ， Ｒ 3 和 θ0 ， 需要确定机构尺寸参数有 Ｒ0 ， 如图 2 ：
2
2． 1
夹持机构分析与计算模型
夹持机构运动学分析 对称原则， 取夹钳机构上半部分分析， 钳口在整个运动
。 当夹钳钳 范围内， 中间参数 θ 转角变化范围是［ θ begin ， θ end ］ 口处于工作区间的边界位置时， 夹钳机构简图如图 4 所示：
▲图 7 夹钳钳口受力示意图
F up =
2L － l － y G = k1 G 2y + 2 μd 2 L － l + y + 2 μD G = k2 G 2 y + 2 μd
收稿日期： 2013 － 11 － 22 基金项目： 国家科技重大专项资助项目 （ 2009ZX040B － 021 ） ▲图 1 夹钳机构三维模型
构的夹紧力对于提高夹持机构的可靠性及进一步优化夹持 液压控制系统实现操作机的柔性夹持控制具有重要的意义 。 为了满足复杂运动的同时保证抓取稳定性， 夹持机构必 “驱动系数” 须具有更优的力的传递效率， 本文定义 作为评价 指标， 在考虑结构设计干涉约束的基础上， 利用遗传算法对 夹持机构进行优化设计 。
第 30 卷
y 方向上 互为相反力， 它们大小相等， 方向相反；各个力在 x， y 表示。 的分力通过力的下标 x， 2． 3 夹持机构受力分析 分析上半部分机构， 如图 8 ： 可以将 F ext 移到 B 点处， 并增加力矩 M ext ， 由于 F ext 与 M ext 具 有 线 性 关 系， M ext = F ext × Ｒ0 cosβ。 则可 以 通 过 求 解 滑 块机构对 F ext 进行求 解， 如图 9 所示：
▲图 2 夹持机构设计参数
块， 命 名 为 连 杆 3； 将 地 面 命名为连杆 4 。
▲图 5
夹钳机构上半部分简图
现有夹钳钳口主要设计参数如图 3a：
β = θ0 + θ － π β 代表 夹 钳 前 臂 与 水 平 线 的夹角。 当滑块机构的运动已 知时， 则 0 杆的运动状态容易求 得， 故直接对滑块机构进行运动 学分析。如图 6 ： Ｒ 1 × e iθ + Ｒ 2 × e iθ 2 = S + Ｒ3 × e － π /2 ×i 化为三角函数式为： Ｒ1 cosθ + Ｒ2 cosθ2 = S － Ｒ1 sinθ + Ｒ2 sinθ2 = － Ｒ3 求解得，
按照力的流向顺序， 依次对滑块， 杆件 2 ， 杆件 1 进行受 力分析， 根据受力平衡， 列出下列各式： F2 ， 3 × cos θ2 － F in = 0 F2 ， 3 × sinθ2 － F4 ， 3 = 0 F3 ， 2 － F1 ， 2 = 0 （ 12 ） （ 13 ） （ 14 ） （ 15 ） （ 16 ）
（ 10 ） （ 11 ）
F down = F up + G =
式中： G 代表工件的重量；L 代表夹钳端到工件重心的距离；l 代表钳口的宽度； y 代表 F up 到 F down 之间的水平距离； μ 代表
▲图 4 夹钳机构工作区间分析
摩擦系数；d 代表工件的直径。 并且， 定义以下各个力： F in 为滑块处输入的力； F ext 为所
［1 ］
常频繁地进行加速提升 、 旋转、 制动以及锻压等不连续动作， 致使夹持机构传递的作用力变化非常大， 从而导致抓取不稳 定性或是联动装置失效等结果产生
［3 － 5 ］
。近年来， 我国核电、 火电、 化工、 造船、 航空航天等产业
［2 ］
。因此， 研究夹持机
对极端条件下的节能、 节材制造技术以及巨型重载装置提出 了迫切需求， 也对锻造操作机发展提出新的需求 夹 持 装 置是锻造操 作机系统的 关键部件之 一， 主要用于 夹紧工件配 合主机完成 开 坯、镦 粗、 拔长、 精整等 各种锻造工 艺， 由于在操 作过程中经
－1 θ2 = sin
（3）
（ 4 ） ▲图 6 滑块机构运动学分析 （5） （6）
(－Ｒ
3
+ Ｒ1 sinθ Ｒ2
)
（7） （8） （9）
S = Ｒ1 cosθ ± 2． 2
Ｒ2 槡
2
2 2 － Ｒ2 3 － Ｒ1 sin θ + 2 Ｒ1 Ｒ3 sinθ
θ1 = θ2 + θ 夹持机构夹紧力分析
DOI:10.13952/ki.jofmdr.2014.0083
Optimization Design of the Forging Manipulator's Gripper
Yuan Hang，Zhang Qing，Zhang Yong，Gao Feng
（ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240 ，China） Abstract： The forging manipulator＇s developing level is a significant factor that affects the development of the heavy equipment manufacturing industry． And as an important component， the design of the gripper mechanism directly influences the entire manipulator properties． The manipulator gripper is studied in this research based on the existing proto． The jaw of the gripper was designed，the kinematics and statics model were analyzed． Taking the transmission angle and the structure design as the constrains，optimization design was made for a higher force transmission efficiency by using genetic algorithm，The optimized design could not only satisfy the performance requirements，but also improve the transmission efficient and make the structure much more compact． Key words： forging manipulator； gripper mechanism； optimization design； structural design； force transmission efficiency； genetic algorithm 锻造操作机是现代化锻造系统中的重要辅助设备， 是实 提高锻件精度必不可少的装 现锻件锻造工艺的可重复性 、 置
整理得到销i = A， B， C， D） π［ τ］
（ 24 ）
3
▲图 9 夹钳机构各杆件受力分析