基于SolidWorks和ADAMS的注塑機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

蔡漢明，管 洋，劉承昆

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266061）

虛擬樣機(jī)技術(shù)（VPT，virtual prototyping technology)，是指在產(chǎn)品研發(fā)過程中，將產(chǎn)品的零件設(shè)計(jì)與分析結(jié)合在一起，在計(jì)算機(jī)中搭建產(chǎn)品的仿真模型，并針對(duì)產(chǎn)品真正投入使用后的各種工作情況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能的技術(shù)。使用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以大大縮減產(chǎn)品的研發(fā)周期，同時(shí)保證產(chǎn)品品質(zhì)。

注塑機(jī)械手是一種安裝在注塑機(jī)上，實(shí)現(xiàn)注塑件取放的一種自動(dòng)化設(shè)備。其是一種直線型的機(jī)械手，其手部的運(yùn)動(dòng)速度、加速度是對(duì)機(jī)械手進(jìn)行速度控制的重要參數(shù)。速度和加速度是否合適很大程度上決定了機(jī)械手運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文使用SolidWorks和ADAMS軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，繪制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)曲線,為優(yōu)化其速度和加速度提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 注塑機(jī)械手建模及裝配

ADAMS軟件提供了建立三維實(shí)體模型的建模模塊，但對(duì)于創(chuàng)建較復(fù)雜的系統(tǒng)仍存在一定局限性。由于注塑機(jī)械手模型相對(duì)來說比較復(fù)雜，為了提高設(shè)計(jì)仿真的效率，選擇在SolidWorks軟件中建立機(jī)械手的三維實(shí)體模型，再將模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真。在Solid Works中完成建模及裝配后的機(jī)械手如圖1所示。

圖1 在Solid Works中建立的機(jī)械手模型

2 基于ADAMS的仿真模型的搭建

2.1 Solid Works中模型的簡(jiǎn)化及導(dǎo)入ADAMS

為了減少仿真軟件的計(jì)算量而又不影響模型的準(zhǔn)確性，在仿真建模過程中，對(duì)機(jī)械手裝配體做出適當(dāng)簡(jiǎn)化，將一些對(duì)仿真結(jié)果影響不大的部件省略。簡(jiǎn)化后的機(jī)械手模型由安裝座、底座、橫梁、懸臂、主(副)臂固定節(jié)、主(副)臂活動(dòng)節(jié)、橫行及引拔方向的滑座、上下行滑座、主副手及相應(yīng)的導(dǎo)軌和滑塊等48個(gè)零件裝配而成。同時(shí)為了更加直觀的在實(shí)時(shí)仿真過程中觀察機(jī)械手主手末端手爪中心的位置，特將主手末端建立成圓錐狀，其長(zhǎng)度、相對(duì)活動(dòng)節(jié)坐標(biāo)系的笛卡爾空間位置沒有變化，其錐尖即為手部中心的位置。

導(dǎo)入后在設(shè)置菜單中設(shè)置模型的單位為MMKS單位制，即毫米、千克和秒；設(shè)置重力為Y軸的負(fù)方向，大小為-9.806。從而完成機(jī)械手模型的導(dǎo)入。導(dǎo)入后的機(jī)械手模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入到ADAMS后的機(jī)械手簡(jiǎn)化模型

2.2 ADAMS中構(gòu)件屬性的定義

模型導(dǎo)入以后首先需要定義每一個(gè)構(gòu)件的材料。選擇Build→Materials→New輸入添加材料的名稱、彈性模量、泊松比和密度，就可以生成新的材料。材料的屬性如表1所示。在模型中，機(jī)械手安裝座、底座、橫梁等支撐結(jié)構(gòu)一律設(shè)置成Q235A，以符合強(qiáng)度要求；導(dǎo)軌和各個(gè)滑塊設(shè)置成Q235A型鋼，以減小滑動(dòng)時(shí)的摩擦；主臂和副臂的型材設(shè)定為AL6061。

表1 機(jī)械手材料屬性

2.3 運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)的定義

由于Solid Works和ADAMS沒有專用的數(shù)據(jù)接口，所以在Solid Works模型中添加的配合關(guān)系在ADAMS中是無效的。將模型導(dǎo)入到ADAMS以后需要重新添加運(yùn)動(dòng)副。在導(dǎo)入的模型中，滑塊和導(dǎo)軌之間都添加移動(dòng)副，其余構(gòu)件添加固定副彼此固定，機(jī)械手安裝座需要和大地之間添加固定副。當(dāng)全部運(yùn)動(dòng)副添加完以后的模型如圖3所示。

圖3 添加約束和運(yùn)動(dòng)副后的機(jī)械手模型

在ADAMS中，運(yùn)動(dòng)可以是與時(shí)間有關(guān)的位移、速度和加速度函數(shù)，也可以定義為常數(shù)。根據(jù)機(jī)械手拿取工件運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，選擇使用STEP階躍函數(shù)來定義機(jī)械手的動(dòng)作。STEP函數(shù)的格式如下：

其中，

X 為階躍函數(shù)的自變量，在這里取時(shí)間，time；

X0為階躍函數(shù)自變量的初始值，s；

H0為階躍函數(shù)的函數(shù)初始值，mm；

X1為階躍函數(shù)自變量的最終值，s；

H1為階躍函數(shù)的函數(shù)最終值，mm。

根據(jù)仿真運(yùn)動(dòng)的距離和各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)，如表2所示。在模型對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在Function（time）編輯框中輸入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

表2 機(jī)械手各部分仿真函數(shù)表

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果曲線

本次仿真中定義總體仿真時(shí)間為8 s，仿真總步數(shù)為800步。在主工具箱中選擇仿真工具按鈕，設(shè)置參數(shù)：End Time=8，Steps=800，點(diǎn)擊開始仿真按鈕進(jìn)行仿真。利用ADAMS/postprocessor模塊得到機(jī)械手末端點(diǎn)的位移、速度曲線如圖4~圖7所示。

圖4 主臂橫行方向位置、速度及加速度曲線

圖5 主臂上下方向的位移、速度加速度圖線

圖6 主臂引拔方向的位移與速度圖線

圖7 副臂引拔方向的位移與速度圖線

4 結(jié)束語

本文對(duì)注塑機(jī)機(jī)械手進(jìn)行了模擬仿真，通過在Solid Works中完成零件的三維造型和裝配，再將模型導(dǎo)入ADAMS中仿真，克服了ADAMS三維造型能力差的缺點(diǎn)。在ADAMS環(huán)境中能很好地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的分析，觀察其工作姿態(tài)，判斷其運(yùn)動(dòng)方案的合理性，為機(jī)械手的控制打下基礎(chǔ)。此外，虛擬樣機(jī)技術(shù)同樣可應(yīng)用到工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及機(jī)械制造業(yè)等眾多相關(guān)領(lǐng)域，能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

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