基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的六自由度機(jī)械手的仿真分析①

韓明輝， 王 澤

(黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

本文研究的智能控制的機(jī)械手，又叫工業(yè)機(jī)器人[1～3]，被廣泛應(yīng)用到工廠的流水生產(chǎn)線上，代替人類從事焊接、切削、噴涂、搬運(yùn)等繁重的勞動(dòng)，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也極大地提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，可以說(shuō)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[4].本設(shè)計(jì)采用了可以簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)成本，有效的提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性的虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)操控更加靈活的六自由度機(jī)械手進(jìn)行了Pro/E建模，并且分別采用了ADAMS和ANSYS軟件，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)行了設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真和受力仿真的驗(yàn)證分析.虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于.

1 ADAMS和ANSYS軟件概述

ADAMS軟件是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件，由美國(guó)的MDI公司開發(fā)，是一款典型的虛擬樣機(jī)分析軟件，它集建模、求解、可視化技術(shù)于一體.該軟件可以用于測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和載荷變化等.ANSYS有限元軟件是一個(gè)涵蓋多個(gè)領(lǐng)域的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，是另一種常用的虛擬樣機(jī)軟件，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)受力和結(jié)果變形問題.其中，ADAMS軟件比較適合于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特征分析和動(dòng)態(tài)分析，因此本文中對(duì)虛擬樣機(jī)的整體部件進(jìn)行了ADAMS環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)分析.而ANSYS軟件較適合于進(jìn)行靜態(tài)分析，因此本文中對(duì)于機(jī)械手臂的受力最大件，大臂部分進(jìn)行了受力狀況和位移分析.

2 六自由度機(jī)械手臂的建模與仿真分析

2.1 機(jī)械手臂建模

本研究設(shè)計(jì)了一種六自由度機(jī)械手.此機(jī)械手是具有六自由度的空間開鏈機(jī)構(gòu)，由4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和5個(gè)連桿組成，該機(jī)械手的Pro/E[5]三維造型如圖1所示.

圖1 機(jī)械手造型設(shè)計(jì)

2.2 ADAMS 運(yùn)動(dòng)分析

本設(shè)計(jì)使用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊對(duì)機(jī)械手進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)給機(jī)械臂手部Maker點(diǎn)的一般點(diǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，讓其沿著規(guī)則曲線運(yùn)動(dòng)，并給Maker點(diǎn)一個(gè)力，模擬機(jī)械臂加工工件的過(guò)程.經(jīng)過(guò)仿真可以測(cè)出各個(gè)部件在實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受力的變化曲線.通過(guò)觀察測(cè)量可以求出在臨界時(shí)刻機(jī)械手的各個(gè)部件的受力情況.

圖2 正運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖3 正運(yùn)動(dòng)分析

圖4 逆運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)

正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的圖片(圖2和圖3)中，可以觀察到各個(gè)部件在不同時(shí)刻的變化情況，呈現(xiàn)出不規(guī)則的曲線變化趨勢(shì).逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的圖片(圖4和圖5)中曲線成周期變化，且仿真運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.

正運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)論為機(jī)械臂不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不發(fā)生速度突變.逆運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)論為機(jī)械臂在1.014秒時(shí)為危險(xiǎn)時(shí)刻，經(jīng)過(guò)測(cè)量得出1.014秒時(shí)機(jī)械臂手部受力最大為7.7142e+006.

圖5 逆運(yùn)動(dòng)分析

2.3 ANSYS 靜力分析

通過(guò)ADMAS的分析，得出機(jī)械手的大臂為受力最大件，所以為了驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，我們對(duì)此部件做了ANSYS的應(yīng)力仿真分析.

采用三維建模軟件PRO/E建立大臂結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS中，從而建立床身的有限元模型.其大臂結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的空間幾何體，設(shè)計(jì)材料為A3，彈性模量為2.2e11泊松比為0.3.

圖6 大臂等效應(yīng)力云圖

圖7 大臂最大變形分析云圖

圖6大臂節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力Von mises分布圖云可知，大臂部分的等效應(yīng)力Von mises值在4.671－12667之間，最大應(yīng)力位置在大臂靠左邊處，但此處的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于于材料的強(qiáng)度極限，其應(yīng)力集中不會(huì)影響大臂的剛度.其設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較大，從應(yīng)力分析角度看，材料抵抗破壞的能力還是有很大潛力的.

從圖7大臂結(jié)構(gòu)的總變形Translation USUM可見，最大值為0.18e－3，位于機(jī)械臂大臂右邊位置.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)條件能保證加工產(chǎn)品有較高的精度，結(jié)構(gòu)在空間方向的位移有一定的差距，說(shuō)明在空間結(jié)構(gòu)上剛度分布不均勻，可以通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)類改進(jìn)剛度合理分布.同時(shí)可以看出，機(jī)械臂大臂在最大危險(xiǎn)應(yīng)力的作用下的最大變形較小，符合設(shè)計(jì)需要.

3 結(jié)論

在計(jì)算機(jī)環(huán)境下，對(duì)于一種先進(jìn)的六自由度機(jī)械手臂進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，采用Pro/E實(shí)體建模技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型的建立，把實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真模擬，并在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行關(guān)鍵部件靜力分析，模擬結(jié)果證實(shí)了六自由度機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)合理性.虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了一種快捷有效的方式.為后續(xù)數(shù)控加工中心的設(shè)計(jì)制造及投產(chǎn)提供了設(shè)計(jì)依據(jù).

[1]朱駿.移動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析[D].南京:南京理工大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化，2006.

[2]張欽國(guó).基于液壓驅(qū)動(dòng)的四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林:吉林大學(xué)機(jī)械電子工程，2011.

[3]馬江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)，2009.

[4]盧耀祖，鄭惠強(qiáng).機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社.2004.

[5]楊松濤，顏兵兵.Pro/ENGINEER4.0基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.