基于有限元法的擠奶機械臂ANSYS仿真

劉俊杰等

摘要：為保證擠奶機器人滿足設計要求，利用有限元分析軟件ANSYS對不銹鋼支架及機械臂的強度和剛度進行靜力學分析，并對不銹鋼支架的結構進行模態(tài)分析。結果表明：仿真結果顯示機械臂的強度和剛度能夠滿足設計要求，進而為合理設計擠奶機器人機械結構提供有力保證。

關鍵詞：農業(yè)機械；擠奶機器人；機械臂；有限元法；仿真；ANSYS

中圖分類號：S818.5；S823 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）06-0025-04

擠奶自動化程度高低已成為衡量現(xiàn)代規(guī)?；膛霭l(fā)展水平的重要考量指標。國內全自動擠奶設備的設計生產水平較國外有很大差距。本研究充分吸收國外先進技術，并以中國荷斯坦奶牛的體高、體長、體寬、乳房位置和乳頭分布等體貌特征作為擠奶機械臂的設計依據，設計出滿足國內奶牛體征的自動化擠奶機器人（如圖1所示）。

該擠奶機器人的運動主要是靠機械臂的整體橫移及伸展收縮來實現(xiàn)的。這幾個自由度的運動會產生多方向的運動載荷，并產生對機組系統(tǒng)的多路隨機激勵作用。當機械臂在氣缸驅動下處于提升狀態(tài)時，機械臂自身質量及托盤質量就會以力載荷的形式作用于機械臂自身及橫移支架上，機械臂在橫移運動過程中會對滑道產生作用載荷。

要保證機械結構的正常安全工作，必須滿足設計要求的強度和剛度性能。為此，本研究利用有限元分析軟件ANSYS，對擠奶機器人關鍵部件進行結構強度校核，進而為合理設計其機械結構提供有力保證。

1 機械臂有限元靜力學分析

在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下，擠奶機器人的受力狀態(tài)不同，需要對兩種狀態(tài)下的裝備進行有限元分析。

1.1 不銹鋼支架結構有限元靜力分析

通過有限元分析軟件ANSYS對不銹鋼支架進行靜力學分析，查看其受力狀態(tài)和應力分布，確定其最大應力。有限元分析的步驟主要包括前處理、求解計算和后處理。前處理過程包括創(chuàng)建模型或由外部三維軟件建模后導入，定義材料屬性和劃分網格等前期工作；求解計算環(huán)節(jié)主要是確定分析類型、施加載荷和約束等步驟；后處理過程設定求解（結果）參數(shù)，觀察求解結果。具體過程如下。

1） 利用Solidworks三維建模軟件完成裝配體模型后，通過ANSYS軟件與Solidworks接口，將待分析結構的SW文件導入ANSYS中。

2） 給模型添加材料、網格劃分、施加邊界條件（約束）、施加載荷。不銹鋼支架材料選用0Cr18Ni9鋼材，其材料屬性見表1。為了計算方便，使載荷在支架滑軌接觸處平均分布，加載1 500 N的載荷，連接的6個螺栓分別加載250 N的載荷。支架懸臂梁的體積較大，不能忽略重力的影響，施加重力載荷（Standard Earth Gravity）。懸臂梁基座施加固定約束（Fixed Support），在基座的4個螺栓孔內施加圓柱面約束（Cylindrical Support）。

3） 后處理求解。對不銹鋼支架進行靜態(tài)結構分析，對施加載荷和約束之后的懸臂梁進行求解，通過求解查看結構的變形情況和應力分布情況，求解得到應力和位移云圖（如圖2所示）。

由圖2可知：在氣壓缸支撐機械臂升起后，支架懸臂梁承受載荷最大應力出現(xiàn)在滑軌約束位置處，最大應力為15.571 MPa；最大位移形變在支架懸臂梁與機械臂的滑道接觸處，最大形變?yōu)?.721 mm。此時，懸臂梁的最大應力在安全范圍內，說明懸臂梁機構設計合理，強度符合設計要求。

1.2 機械臂裝配體整體有限元分析

擠奶機器人的主要運動是機械臂的橫移運動和氣壓缸支撐的伸展與收縮運動，而橫移支架是連接梁架結構與橫移機構的中間連接體，其工作性能的安全性非常重要，因此，在對橫移時的整體做有限元分析時，采用分析裝配體模型方式，以保證分析的正確性。

在Solidworks三維建模軟件完成裝配體模型后，將模型導入ANSYS軟件中。前處理環(huán)節(jié)添加材料屬性、網格劃分后，還需要定義裝配體之間的接觸。整體材料選用0Cr18Ni9，其材料屬性已知。網格劃分尺寸為10 mm，對零件關鍵部位加密網格（Refine）。選用固結（Bonded）接觸類型，接觸方式為非對稱（Asymmetric）。

對裝配體模型進行有限元靜力學分析，求解得出裝配體在機械臂最高位置、水平位置、最低位置的位移形變云圖和應力云圖（如圖3所示）。

由圖3可知：3種工作位置下的位移形變最大量均出現(xiàn)在托盤端部，最大位移形變分別為1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，對整個裝配體的工作性能無影響；對于整個裝配體來說，懸臂梁架受載均勻對稱，應力值分布左右對稱，最大應力值分別為70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出現(xiàn)在氣壓缸與機械臂連接的位置。此區(qū)域出現(xiàn)應力集中，與實際受載分布相符。

不銹鋼支架采用的材料為Q345，其許用應力[σ]=137.000 MPa，由此可得出其安全系數(shù)：

n=[σ]/σ=137.000/65.640=2.09>2.00

由于受載荷裝配體的安全系數(shù)大于裝配體結構的安全系數(shù)，故認為是安全的，即整個機械臂結構和橫移支架的裝配體是安全的。

2 不銹鋼支架結構的模態(tài)分析

擠奶機器人裝備的機械臂依靠2組氣壓缸的支撐進行伸展與收縮運動，依靠1組氣壓缸的驅動進行橫移運動，來完成機器人的擠奶工作。支架結構除了支撐機械臂機構全部質量外，還要承受來自氣壓缸驅動而導致的載荷外力作用。

支架結構是支撐整套裝備的重要組成部分，其性能直接關系到裝備的安全作業(yè)。機械臂結構在由氣壓缸支撐進行的伸展與收縮過程中一直受動載荷作用，擠奶工作也會使機械臂機構在移動過程中受到外載荷作用。擠奶工作狀態(tài)還存在橫移運動調整。根據不同的工作環(huán)境，橫移運動會有不同的橫移頻率和橫移阻力。

這些沖擊動載荷通過各部件的相互連接傳遞到支架與機械臂結構的各個部分，從而引起擠奶設備整體及部分的動態(tài)響應。有必要對裝配體結構做模態(tài)分析，得出裝配體結構的固有頻率及振型等，以避免外力頻率和結構頻率相同或相近而發(fā)生共振。裝配體結構模態(tài)分析結果如圖4所示。

由圖4可知：一階和二階模態(tài)的最大振動頻率分別為10.391 Hz和11.597 Hz。在擠奶機器人驅動系統(tǒng)氣壓缸選型及行程、速度設定工作中，要考慮裝配體的振動頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，以最大限度地提高機器使用壽命及工作穩(wěn)定性。

3 結論

為了使擠奶機器人能夠滿足設計要求，本研究利用有限元分析軟件ANSYS，對不銹鋼支架及機械臂強度與剛度進行了靜力學分析，對不銹鋼支架結構進行了模態(tài)分析，分析結果表明：1） 當氣壓缸支撐機械臂升起后，支架懸臂梁承受載荷最大應力出現(xiàn)在滑軌約束位置處，最大應力為15.571 MPa；最大位移形變在支架懸臂梁與機械臂的滑道接觸處，最大形變?yōu)?.721 mm。此時，懸臂梁的最大應力在安全范圍內，這說明懸臂梁機構設計合理，強度符合設計要求。2） 機械臂總裝配在3種工作位置下位移形變最大量均出現(xiàn)在托盤端部，最大位移形變分別為1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，對整個裝配體的工作性能無影響；對于整個裝配體來說，懸臂梁架受載均勻對稱，應力值分布左右對稱，最大應力值分別為70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出現(xiàn)在氣壓缸與機械臂連接的位置。此區(qū)域出現(xiàn)應力集中，這與實際受載分布相符。整個機械臂結構和橫移支架裝配體安全系數(shù)為2.09，屬于安全值范圍。3） 不銹鋼支架模態(tài)頻率顯示，一階和二階模態(tài)的最大振動頻率分別為10.391 Hz和11.597 Hz。在擠奶機器人驅動系統(tǒng)氣壓缸選型及行程、速度設定工作中，要考慮裝配體的振動頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，以最大限度地提高機器使用壽命及工作穩(wěn)定性。

仿真結果顯示：機械臂的強度和剛度能夠滿足設計要求，進而為合理設計擠奶機器人機械結構提供了有力保證。

參考文獻

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Simulation of Milking Robot Arm ANSYS based on Finite Element Method

LIU Junjie1， YANG Shenghu2， CHENG Rui1， ZHAO Yi1

（1. Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China； 2. Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： In order to meet the design requirements of milking robot， it used finite element ANSYS software to do static analysis on the strength and stiffness of stainless steel bracket and robot arm， and do modal analysis on the structure of stainless steel bracket. The result shows that the strength and stiffness of robot arm can meet the requirements of the design； it provided a guarantee for reasonable design for mechanical structure of milking robot.

Key words： agricultural machinery； milking robot； robot arm； finite element method； simulation； ANSYS