基于Solidworks的機械手爪運動仿真及有限元分析

陸鵬　石鋼　周志浩　程道來　李南坤

【摘 要】 以巴瑪克公司自動化釬焊機械手爪為對象，利用SolidWorks開展機械手爪結構設計，三維建模，然后運用插件中motion、simulation對它進行運動仿真分析和有限元分析。最后得到機械手的運動軌跡，作業(yè)空間情況，為公司機械手爪后續(xù)的優(yōu)化設計研究提供依據(jù)。

【關鍵詞】 SolidWorks 機械手爪 三維建模 運動仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

機器人手爪是機器人可以實現(xiàn)類似人手的功能部件，用來夾持工件或工具，是一個很重要的執(zhí)行機構。目前在每個領域都有廣泛的應用如汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子行業(yè)、煤礦機械、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等。隨著計算機應用技術的發(fā)展，計算機模擬預先實現(xiàn)功能已成為科學研究的一個重要手段，在論證可行性、工程設計合理性和找到最佳方案過程中起著重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成體系，擁有強大的特征創(chuàng)建本領和裝配控制能力[1]。本文針對了上海巴馬克電氣有限公司從德國引進的空調冰箱壓縮機自動化釬焊機械手爪進行研究。為將此技術國產(chǎn)化，更優(yōu)化而開展前期仿真，分析的研究。

1 運動學基本原理

其仿真建模步驟如下：

（1）選取SolidWorks插件中的Simulation，新建一個算例。類型選擇靜態(tài)。選項包括載荷、材料、結果的單位體系等的設置。

（2）材料設置，用戶自定義的材料庫中選出材料或者從材料庫里面選，本設計選擇的是合金鋼。

（3）約束設置，選擇夾具再選擇零件的一個面作為固定位置，可以選擇一組約束也可以選擇幾組約束。

（4）載荷設置，使得零件變形的外部載荷或者是指定產(chǎn)生零件應力，如力或壓力，本例中所受的壓力大小是100N。

3.2 機械手爪有限元分析過程及結果

3.2.1 網(wǎng)格劃分及有限元分析

（1）選取運行模塊中劃分網(wǎng)格模塊，根據(jù)計算機推薦的網(wǎng)格劃分進行分析[3]，也可以設置零件網(wǎng)格的劃分程度。本文根據(jù)機械手受力情況設置零件網(wǎng)格劃分程度。

（2）選取運行模塊中的程序運行，觀察并分析結果，最小安全系數(shù)（FOS），應力情況和變形情況，完成“后處理”步驟。

3.2.2 有限元分析結果

在分析完后，得出相應的變形狀況分布圖，振動狀況，應力分布圖，還能以動畫方式來顯示應力和變形的情況，依據(jù)這些生成分析結果eDrawing和HTML報表。

部分報表內容中的材料屬性見圖3。本設計的彈簧Y方向受力分析圖見圖4，機械手爪角位移分析圖見圖5，滑塊速度分析圖見圖6，機械手爪支座振動分析圖見圖7，機械手爪支座應力分析見圖8。

依據(jù)這些分析圖，可以分析和改進已經(jīng)設計出來的方案，進而大大簡化了設計的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks內部的插件Motion分析彈簧在運動過程中的受力情況，計算出結果并生成圖表，如圖4彈簧Y方向受力情況。

明確機械手爪上所需要觀察的點的運動情況，選擇該點。選擇運動算例屬性，選好所需要的方向，如圖5所示該機械手爪角位移情況。

分析過程中的每個運動算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如圖6，選擇滑塊，利用上述方法則可以分析Z方向的線性速度。

在靜止狀態(tài)的機構遭到干擾時，通常會以固定的頻率振動，這一頻率也稱作固有頻率或共振頻率。實體對每一個固有頻率，都呈一定的形狀，也稱作模式形狀[4]。頻率分析就是計算固有頻率和相關的模式形狀?；驹硎铅?。理論上，實體具有無限個模式。理論上而言，關于有限元分析，有多少個自由度（DOF），就有多少個模式。在多數(shù)情況下，只考慮其中的一部分模式。

當實體承擔的是動態(tài)載荷，并且載荷是以一個固有頻率振動，所發(fā)生的強烈反應便是共振。這里取了5個模式下的振動，如圖7分析得到不同模式下的頻率以及振動周期。

根據(jù)屈服應力用不同的顏色顯示各個部位所受的應力狀況，在應力分析圖（圖8）中顯示出了零件的屈服應力，所受應力較大的部位超出屈服極限的用醒目的紅色表示[5]，受應力比較小的部位顏色較淺用藍色進行表示。

根據(jù)以上有限元分析結果，設計者很容易找出零件薄弱環(huán)節(jié)，有利于設計者對自己的設計進行修改。應力分析后，SolidWorks中的Simulation還會顯示出零件的最小安全系數(shù)，由此能夠幫助設計者進一步修正設計。

4 結語

運用文中所提到的方法對機械手爪的運動情況，應力分析，從而可以加快仿真出零件在多個概念與情景下的應力狀況，縮短了設計周期優(yōu)化了設計條件。運用SolidWorks來執(zhí)行機構的仿真模擬可實現(xiàn)計算機對現(xiàn)實情況的仿真，還可以實行曲線等一些復雜機構的仿真，使運動更生動真切，為上海巴馬克電氣有限公司自動化釬焊技術的進一步改進設計提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]張晉西.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真技[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]張策.機械動力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韓銳，阮靜.基于SolidWorks的運動仿真研究[J].機械設計，2009.

[4]郭曉寧.基于SolidWorks的平面兩岸機構實體運動分析[J].西安理工大學學報，2007.

[5]湛迪強.SolidWorks2008寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

【摘 要】 以巴瑪克公司自動化釬焊機械手爪為對象，利用SolidWorks開展機械手爪結構設計，三維建模，然后運用插件中motion、simulation對它進行運動仿真分析和有限元分析。最后得到機械手的運動軌跡，作業(yè)空間情況，為公司機械手爪后續(xù)的優(yōu)化設計研究提供依據(jù)。

【關鍵詞】 SolidWorks 機械手爪 三維建模 運動仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

機器人手爪是機器人可以實現(xiàn)類似人手的功能部件，用來夾持工件或工具，是一個很重要的執(zhí)行機構。目前在每個領域都有廣泛的應用如汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子行業(yè)、煤礦機械、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等。隨著計算機應用技術的發(fā)展，計算機模擬預先實現(xiàn)功能已成為科學研究的一個重要手段，在論證可行性、工程設計合理性和找到最佳方案過程中起著重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成體系，擁有強大的特征創(chuàng)建本領和裝配控制能力[1]。本文針對了上海巴馬克電氣有限公司從德國引進的空調冰箱壓縮機自動化釬焊機械手爪進行研究。為將此技術國產(chǎn)化，更優(yōu)化而開展前期仿真，分析的研究。

1 運動學基本原理

其仿真建模步驟如下：

（1）選取SolidWorks插件中的Simulation，新建一個算例。類型選擇靜態(tài)。選項包括載荷、材料、結果的單位體系等的設置。

（2）材料設置，用戶自定義的材料庫中選出材料或者從材料庫里面選，本設計選擇的是合金鋼。

（3）約束設置，選擇夾具再選擇零件的一個面作為固定位置，可以選擇一組約束也可以選擇幾組約束。

（4）載荷設置，使得零件變形的外部載荷或者是指定產(chǎn)生零件應力，如力或壓力，本例中所受的壓力大小是100N。

3.2 機械手爪有限元分析過程及結果

3.2.1 網(wǎng)格劃分及有限元分析

（1）選取運行模塊中劃分網(wǎng)格模塊，根據(jù)計算機推薦的網(wǎng)格劃分進行分析[3]，也可以設置零件網(wǎng)格的劃分程度。本文根據(jù)機械手受力情況設置零件網(wǎng)格劃分程度。

（2）選取運行模塊中的程序運行，觀察并分析結果，最小安全系數(shù)（FOS），應力情況和變形情況，完成“后處理”步驟。

3.2.2 有限元分析結果

在分析完后，得出相應的變形狀況分布圖，振動狀況，應力分布圖，還能以動畫方式來顯示應力和變形的情況，依據(jù)這些生成分析結果eDrawing和HTML報表。

部分報表內容中的材料屬性見圖3。本設計的彈簧Y方向受力分析圖見圖4，機械手爪角位移分析圖見圖5，滑塊速度分析圖見圖6，機械手爪支座振動分析圖見圖7，機械手爪支座應力分析見圖8。

依據(jù)這些分析圖，可以分析和改進已經(jīng)設計出來的方案，進而大大簡化了設計的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks內部的插件Motion分析彈簧在運動過程中的受力情況，計算出結果并生成圖表，如圖4彈簧Y方向受力情況。

明確機械手爪上所需要觀察的點的運動情況，選擇該點。選擇運動算例屬性，選好所需要的方向，如圖5所示該機械手爪角位移情況。

分析過程中的每個運動算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如圖6，選擇滑塊，利用上述方法則可以分析Z方向的線性速度。

在靜止狀態(tài)的機構遭到干擾時，通常會以固定的頻率振動，這一頻率也稱作固有頻率或共振頻率。實體對每一個固有頻率，都呈一定的形狀，也稱作模式形狀[4]。頻率分析就是計算固有頻率和相關的模式形狀?；驹硎铅?。理論上，實體具有無限個模式。理論上而言，關于有限元分析，有多少個自由度（DOF），就有多少個模式。在多數(shù)情況下，只考慮其中的一部分模式。

當實體承擔的是動態(tài)載荷，并且載荷是以一個固有頻率振動，所發(fā)生的強烈反應便是共振。這里取了5個模式下的振動，如圖7分析得到不同模式下的頻率以及振動周期。

根據(jù)屈服應力用不同的顏色顯示各個部位所受的應力狀況，在應力分析圖（圖8）中顯示出了零件的屈服應力，所受應力較大的部位超出屈服極限的用醒目的紅色表示[5]，受應力比較小的部位顏色較淺用藍色進行表示。

根據(jù)以上有限元分析結果，設計者很容易找出零件薄弱環(huán)節(jié)，有利于設計者對自己的設計進行修改。應力分析后，SolidWorks中的Simulation還會顯示出零件的最小安全系數(shù)，由此能夠幫助設計者進一步修正設計。

4 結語

運用文中所提到的方法對機械手爪的運動情況，應力分析，從而可以加快仿真出零件在多個概念與情景下的應力狀況，縮短了設計周期優(yōu)化了設計條件。運用SolidWorks來執(zhí)行機構的仿真模擬可實現(xiàn)計算機對現(xiàn)實情況的仿真，還可以實行曲線等一些復雜機構的仿真，使運動更生動真切，為上海巴馬克電氣有限公司自動化釬焊技術的進一步改進設計提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]張晉西.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真技[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]張策.機械動力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韓銳，阮靜.基于SolidWorks的運動仿真研究[J].機械設計，2009.

[4]郭曉寧.基于SolidWorks的平面兩岸機構實體運動分析[J].西安理工大學學報，2007.

[5]湛迪強.SolidWorks2008寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

【摘 要】 以巴瑪克公司自動化釬焊機械手爪為對象，利用SolidWorks開展機械手爪結構設計，三維建模，然后運用插件中motion、simulation對它進行運動仿真分析和有限元分析。最后得到機械手的運動軌跡，作業(yè)空間情況，為公司機械手爪后續(xù)的優(yōu)化設計研究提供依據(jù)。

【關鍵詞】 SolidWorks 機械手爪 三維建模 運動仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

機器人手爪是機器人可以實現(xiàn)類似人手的功能部件，用來夾持工件或工具，是一個很重要的執(zhí)行機構。目前在每個領域都有廣泛的應用如汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子行業(yè)、煤礦機械、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等。隨著計算機應用技術的發(fā)展，計算機模擬預先實現(xiàn)功能已成為科學研究的一個重要手段，在論證可行性、工程設計合理性和找到最佳方案過程中起著重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成體系，擁有強大的特征創(chuàng)建本領和裝配控制能力[1]。本文針對了上海巴馬克電氣有限公司從德國引進的空調冰箱壓縮機自動化釬焊機械手爪進行研究。為將此技術國產(chǎn)化，更優(yōu)化而開展前期仿真，分析的研究。

1 運動學基本原理

其仿真建模步驟如下：

（1）選取SolidWorks插件中的Simulation，新建一個算例。類型選擇靜態(tài)。選項包括載荷、材料、結果的單位體系等的設置。

（2）材料設置，用戶自定義的材料庫中選出材料或者從材料庫里面選，本設計選擇的是合金鋼。

（3）約束設置，選擇夾具再選擇零件的一個面作為固定位置，可以選擇一組約束也可以選擇幾組約束。

（4）載荷設置，使得零件變形的外部載荷或者是指定產(chǎn)生零件應力，如力或壓力，本例中所受的壓力大小是100N。

3.2 機械手爪有限元分析過程及結果

3.2.1 網(wǎng)格劃分及有限元分析

（1）選取運行模塊中劃分網(wǎng)格模塊，根據(jù)計算機推薦的網(wǎng)格劃分進行分析[3]，也可以設置零件網(wǎng)格的劃分程度。本文根據(jù)機械手受力情況設置零件網(wǎng)格劃分程度。

（2）選取運行模塊中的程序運行，觀察并分析結果，最小安全系數(shù)（FOS），應力情況和變形情況，完成“后處理”步驟。

3.2.2 有限元分析結果

在分析完后，得出相應的變形狀況分布圖，振動狀況，應力分布圖，還能以動畫方式來顯示應力和變形的情況，依據(jù)這些生成分析結果eDrawing和HTML報表。

部分報表內容中的材料屬性見圖3。本設計的彈簧Y方向受力分析圖見圖4，機械手爪角位移分析圖見圖5，滑塊速度分析圖見圖6，機械手爪支座振動分析圖見圖7，機械手爪支座應力分析見圖8。

依據(jù)這些分析圖，可以分析和改進已經(jīng)設計出來的方案，進而大大簡化了設計的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks內部的插件Motion分析彈簧在運動過程中的受力情況，計算出結果并生成圖表，如圖4彈簧Y方向受力情況。

明確機械手爪上所需要觀察的點的運動情況，選擇該點。選擇運動算例屬性，選好所需要的方向，如圖5所示該機械手爪角位移情況。

分析過程中的每個運動算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如圖6，選擇滑塊，利用上述方法則可以分析Z方向的線性速度。

在靜止狀態(tài)的機構遭到干擾時，通常會以固定的頻率振動，這一頻率也稱作固有頻率或共振頻率。實體對每一個固有頻率，都呈一定的形狀，也稱作模式形狀[4]。頻率分析就是計算固有頻率和相關的模式形狀?；驹硎铅?。理論上，實體具有無限個模式。理論上而言，關于有限元分析，有多少個自由度（DOF），就有多少個模式。在多數(shù)情況下，只考慮其中的一部分模式。

當實體承擔的是動態(tài)載荷，并且載荷是以一個固有頻率振動，所發(fā)生的強烈反應便是共振。這里取了5個模式下的振動，如圖7分析得到不同模式下的頻率以及振動周期。

根據(jù)屈服應力用不同的顏色顯示各個部位所受的應力狀況，在應力分析圖（圖8）中顯示出了零件的屈服應力，所受應力較大的部位超出屈服極限的用醒目的紅色表示[5]，受應力比較小的部位顏色較淺用藍色進行表示。

根據(jù)以上有限元分析結果，設計者很容易找出零件薄弱環(huán)節(jié)，有利于設計者對自己的設計進行修改。應力分析后，SolidWorks中的Simulation還會顯示出零件的最小安全系數(shù)，由此能夠幫助設計者進一步修正設計。

4 結語

運用文中所提到的方法對機械手爪的運動情況，應力分析，從而可以加快仿真出零件在多個概念與情景下的應力狀況，縮短了設計周期優(yōu)化了設計條件。運用SolidWorks來執(zhí)行機構的仿真模擬可實現(xiàn)計算機對現(xiàn)實情況的仿真，還可以實行曲線等一些復雜機構的仿真，使運動更生動真切，為上海巴馬克電氣有限公司自動化釬焊技術的進一步改進設計提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]張晉西.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真技[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]張策.機械動力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韓銳，阮靜.基于SolidWorks的運動仿真研究[J].機械設計，2009.

[4]郭曉寧.基于SolidWorks的平面兩岸機構實體運動分析[J].西安理工大學學報，2007.

[5]湛迪強.SolidWorks2008寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.