基于ADAMS與ANSYS Workbench的碼垛裝備運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

許 哲，牟曉華，魏 鵬，高亞東

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

基于ADAMS與ANSYS Workbench的碼垛裝備運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

許 哲，牟曉華，魏 鵬，高亞東

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步及企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，碼垛機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，在大型食品飲料、化工和煤礦等企業(yè)中，現(xiàn)代碼垛技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，大幅度提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率并降低了勞動(dòng)成本[1]。而在一些特殊的企業(yè)倉庫或廠房中，由于空間結(jié)構(gòu)的特殊性，一般的碼垛裝備很難滿足作業(yè)要求，其中像翅片機(jī)生產(chǎn)線上仍然采用人工搬運(yùn)翅片的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且極易造成工人受傷。因此需要設(shè)計(jì)一種全新的自動(dòng)碼垛裝備來滿足翅片機(jī)生產(chǎn)線的特殊作業(yè)需求。根據(jù)翅片機(jī)生產(chǎn)線的具體碼垛要求，設(shè)計(jì)了新型的4自由度的直角坐標(biāo)型碼垛裝備。

1 自動(dòng)噴涂裝備的結(jié)構(gòu)分析

圖1給出了碼垛裝備的總體設(shè)計(jì)方案。碼垛裝備主要由導(dǎo)軌框架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電磁吸附模塊組裝而成。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為4個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的控制精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的精確控制。碼垛裝備作業(yè)時(shí)，首先需要根據(jù)碼垛作業(yè)的區(qū)域通過安裝的導(dǎo)軌上的定位孔實(shí)現(xiàn)裝備的初次定位，并完成電磁吸附模塊在通電狀態(tài)下對目標(biāo)物體的定位及抓取任務(wù)，然后碼垛裝備會(huì)根據(jù)用戶后期的特定指令完成碼垛作業(yè)。在碼垛裝備沿x軸導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，裝備會(huì)根據(jù)導(dǎo)軌上的定位孔實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，以確保裝備能精確躲避固定障礙物（如懸梁、機(jī)械懸臂等）。當(dāng)將目標(biāo)物送到指定位置時(shí)，電磁吸附裝置自動(dòng)斷電，在磁性消失的情況下，物體自動(dòng)脫落，完成對目標(biāo)的碼垛作業(yè)。在裝備作業(yè)過程中，框架的變形程度對滿足作業(yè)精度要求方面有著重要影響，需要對其進(jìn)行分析優(yōu)化以滿足作業(yè)需求，且本文選取z2框架作為研究對象。

圖1 碼垛裝備總體視圖

2 碼垛裝備三維模型的建立與仿真分析

2.1 Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench的聯(lián)合仿真

對于Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench這三款軟件都有各自的優(yōu)勢，如果能通過相互之間的通信接口進(jìn)行文件信息傳輸，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢特點(diǎn)，必定會(huì)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和精確度。因此，采用三個(gè)軟件聯(lián)合仿真的方法對碼垛裝備進(jìn)行分析。

剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)分析流程如圖2所示。

圖2 剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)分析流程

2.2 碼垛裝備有限元模型建立

2.2.1 模型的建立與導(dǎo)入

在Pro/E中完成碼垛裝備部分結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體建模，為方便在ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過將裝配體轉(zhuǎn)化成單個(gè)零件的方法，把將要分析的部分裝置簡化為三部分：框架、導(dǎo)軌和滑塊（包括攜帶的電磁吸附裝置和翅片等），然后在通過Pro/E將其裝配起來，并將文件存為Parasolid格式，拓展名為*.X_T類型的文件，便于后期導(dǎo)入到ADAMS中做準(zhǔn)備。還有值得注意的是單位的設(shè)置，要使Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench中被分析的模型單位同一，本次仿真分析中的單位同一設(shè)置成mm Ks單位制。

2.2.2 利用ANSYS Workbench創(chuàng)建柔性體文件

ANSYS Workbench是ANSYS公司開發(fā)的一個(gè)協(xié)同仿真環(huán)境的軟件平臺(tái)，相比于經(jīng)典版的ANSYS操作界面，Workbench界面形式更加明顯，操作更加簡單。針對于輸出模態(tài)中性文件（*.MNF），使用Workbench操作更加方便、快捷且容易理解其操作意義。

1）導(dǎo)入模型。為保證MNF文件的正常導(dǎo)出，建議在導(dǎo)入Workbench模型之前，先通過Pro/E將需要柔性化處理的零件轉(zhuǎn)化為*.sat格式，如果已經(jīng)建立了Pro/E與ANSYS Workbench的連接，則可以在完成Pro/E中的操作后直接通過其菜單欄里的ANSYS選項(xiàng)將零件導(dǎo)入。另外要盡量保持零件的簡潔性，不要帶有太多縫隙或多余棱角等影響網(wǎng)格劃分的因素。圖3為待分析處理的z2框架，最好此時(shí)在后期可能需要建立剛性連接的地方建立印記面。

圖3 待分析處理的z2框架

2）設(shè)置材料屬性。通過Engineering Data選項(xiàng)來設(shè)置零件的各種材料屬性。由于零件采用的是Q235號鋼制造，在選定好鋼類型后，定義其密度，ρ=7.85×103kg/m3泊松比μ=0.3，彈性模量E=2×1011Pa。

3）Model模塊的處理。重點(diǎn)是網(wǎng)格的劃分和APDL程序的導(dǎo)入與編輯。Workbench中的網(wǎng)格劃分相比較于ANSYS經(jīng)典更加方便、快捷。如圖4所示，可以看出對于需要建立剛性聯(lián)接的區(qū)域可以方便的設(shè)置其網(wǎng)格的疏密，且不需要通過手動(dòng)對接觸面上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性聯(lián)接。只需在加載求解模塊嵌入APDL程序，然后將需建立剛性區(qū)域的面的質(zhì)心坐標(biāo)編輯到程序里，在ADAMS中所需要的剛性區(qū)域連接mark點(diǎn)就會(huì)隨著MNF文件的導(dǎo)入而自動(dòng)產(chǎn)生。

圖4 界面點(diǎn)位置與剛性連接區(qū)域

4）生成MNF文件。在完成APDL程序的導(dǎo)入、編輯后，先將完成的ANSYS Workbench工作保存一下，然后點(diǎn)一下工具欄里的Solve選項(xiàng)，計(jì)算完成之后，在之前保存的文件夾里就會(huì)有生成的MNF文件。

2.2.3 有限元模型的仿真分析及優(yōu)化

將上一步生成的*.x_t文件導(dǎo)入到啟動(dòng)后的ADAMS中，重力大小設(shè)置為9806.6，方向?yàn)閅負(fù)向。利用Build/Flexible Bodies/Rigid to Flex導(dǎo)入之前產(chǎn)生的MNF模態(tài)中性文件，通過選取三點(diǎn)便可準(zhǔn)確替換。剛?cè)崽鎿Q后添加約束關(guān)系、驅(qū)動(dòng)等，圖5為建立的各構(gòu)件與柔性體之間的約束關(guān)系。

圖5 ADAMS各構(gòu)件位置與約束關(guān)系

按要求末端電磁吸附裝置的速度不能低于750mm/s，故將速度設(shè)置為800mm/s進(jìn)行剛-柔體動(dòng)力學(xué)仿真，得到如圖6所示碼垛裝備中電磁吸附裝置末端mark點(diǎn)Z向的位移。圖中顯示的Z向最大位移為4.16mm，而規(guī)定的定位精度不能大于1mm，故該框架零件是不合適的。通過對仿真過程中z2框架變形的觀察，需對z2框架內(nèi)部的兩個(gè)肋板進(jìn)行加厚，故將肋板厚度從7mm變成了10mm。將優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)重新柔性化處理進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真后，重新得出了電磁吸附裝置末端Z向mark2點(diǎn)的位移，如圖7所示。從圖中可以看出Z向最大位移為0.43mm＜1mm，符合噴涂要求。

圖6 ADAMS中電磁吸附裝置末端Z向mark點(diǎn)的位移

圖7 ADAMS中電磁吸附裝置末端Z向mark2點(diǎn)的位移

選取柔性體上形變量最大的一個(gè)頂點(diǎn)作為mark點(diǎn)來測量其mag向位移，如圖8所示，其最大位移量為0.3mm。最后選擇File/Export/FEALoads，導(dǎo)出柔性體邊界載荷信息，即*.lod載荷文件。在輸出載荷文件時(shí)要選取合適的時(shí)間點(diǎn)，盡量是柔性體受到最大載荷是的時(shí)間點(diǎn)。

圖8 ADAMS中柔性體頂端mark點(diǎn)的mag向位移

2.3 ANSYS Workbench有限元分析

啟動(dòng)ANSYS Workbench，打開之前保存的文件。進(jìn)入model模塊，對已經(jīng)劃分好網(wǎng)格的z2框架添加一定的約束，然后將*.lod載荷文件導(dǎo)入到之前編輯APDL程序的界面，最后點(diǎn)擊求解即可。

查看有限元分析結(jié)果。

圖9 變形云圖

圖9可以得出z2框架在ANSYS Workbench中變形為0.0577mm～0.5190mm與ADAMS中所測量的mark點(diǎn)的位移0.30mm結(jié)果幾乎一樣，因此可以認(rèn)為ADAMS與ANSYS Workbench聯(lián)合分析的結(jié)果是可靠的。

圖10 應(yīng)力云圖

由圖1 0可以看出z 2框架所受最大應(yīng)力為59.996MPa，且鋼的厚度≤10mm，遠(yuǎn)小于Q235號鋼的屈服極限235MPa，符合應(yīng)力要求，由此可以綜合斷定該框架是合適的。

3 結(jié)論

通過Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了軟件之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，更加貼近現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，通過分析結(jié)果中的位移、變形、應(yīng)力等，既可以避免了在建立數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上復(fù)雜的運(yùn)算過程，同時(shí)在不同軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相對比的基礎(chǔ)之上，使得分析結(jié)果更具有說服力。綜合分析結(jié)果來講，被分析的框架結(jié)構(gòu)能夠滿足安全的作業(yè)需求，同時(shí)也具備了通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的精確的數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)的其他方面的工作提供了依據(jù)。

[1]李曉剛,劉晉浩.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題及對策[J].包裝工程,2011(2):96-101.

[2]肖瀟,楊金堂,全芳成,等.基于Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench的小車底板運(yùn)動(dòng)特性仿真分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(1):58-60.

[3]張永德,汪洋濤,等.基于ANSYS與ADAMS的柔性體聯(lián)合仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(17):4501-4504.

[4]趙希芳.A d a m s中的柔性體分析研究[J].電子機(jī)械工程,2006,22(3):62-64.

[5]李兵,何正嘉,陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[6]劉紅軍,張慶分.基于ADAMS的柔性體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的變形及振動(dòng)仿真分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(1):75-77.

[7]劉錦陽,洪嘉振.剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模理論研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(3):408-414.

[8]Chen Y D,Cheng Y D,Liao J J,et al. Development of a finite element solution module for the analysis of the dynamic behavior and balancing effects of an induction motor system[J].Finite Elements in Analysis and Design,2008(44):483-492.

[9]Zheng Xiao-Ya,et.Application of ADAMS and ANSYS to mechanism analysis[J].GutiHuojianJishu/Journal of Solid Rocket Technology,2010,33(2):201-204.

[10]Ni Li，et.The dynamic simulation of engine slider-crank mechanism based on ANSYS and ADAMS[J].Advanced Materials Research,2014,842:347-350.

[11]Zeng Hong,et.The CAE analysis of fork truck frame system based on ADAMS and ANSYS[J].Applied Mechanics and Materials,2009,16:1149-1153.

Simulation and analysis of motion characteristics of palletizing equipment based on ADAMS and ANSYS Workbench

XU Zhe, MOU Xiao-hua, WEI Peng, GAO Ya-dong

在對傳統(tǒng)的碼垛裝備工作特性的研究及市場的需求基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)出了一種針對翅片機(jī)生產(chǎn)線特定工作環(huán)境的作業(yè)靈活、操作簡單且精度高的新型直角坐標(biāo)型自動(dòng)碼垛裝備。由于裝備采用的是直角坐標(biāo)型，為確保裝備能滿足高精的作業(yè)要求，需對易出現(xiàn)變形的軌道支撐框架進(jìn)行受力分析。仿真過程利用Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench在自身領(lǐng)域的優(yōu)勢共同完成對框架的運(yùn)動(dòng)受力分析，同時(shí)對ADAMS與ANSYS Workbench的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出精確的運(yùn)動(dòng)特性仿真結(jié)果，最終判斷是否進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

碼垛裝備；框架；ADAMS；ANSYS Workbench

許哲（1970 -），男，副教授，博士，研究方向?yàn)轭A(yù)測控制理論與應(yīng)用。

TH122；TH164

A

1009-0134(2015)12(上)-0005-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.02

2015-07-20

上海市“聯(lián)盟計(jì)劃”基金項(xiàng)目（D-8005-14-0115）