基于虛擬樣機(jī)的工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器的設(shè)計(jì)

沙鑫美+范真

摘 要：在中國(guó)制造2025的大背景下，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人或?qū)⒂瓉?lái)井噴式發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)快速變化的需求。為了適應(yīng)這一新的需求，該文從用虛擬樣機(jī)技術(shù)的角度出發(fā)，利用SolidWorks軟件對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 虛擬樣機(jī) SolidWorks

中圖分類號(hào)：TP241.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0001-02

目前，在我國(guó)人口紅利減弱的背景下，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用將日益廣泛。尤其是“十三五”期間以及更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)將大力實(shí)施中國(guó)制造2025發(fā)展戰(zhàn)略，重在發(fā)展高端裝備制造，實(shí)施綠色制造、智能制造等科技產(chǎn)業(yè)化工程，其中研發(fā)智能化、模塊化的機(jī)器人單元產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，提升我國(guó)制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力意義重大。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法需要經(jīng)過(guò)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、樣機(jī)制造、性能測(cè)試等繁雜過(guò)程，存在研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、轉(zhuǎn)型慢等問(wèn)題。

該文從虛擬樣機(jī)的角度出發(fā)，利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)性探索，建立了工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器的虛擬樣機(jī)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真及受力分析，提出了一種高效的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器快速設(shè)計(jì)方法。

1 虛擬樣機(jī)模型的建立

1.1 總體設(shè)計(jì)方案的確定

根據(jù)實(shí)際要求制定總體設(shè)計(jì)方案，確定夾持器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：夾持工件大?。ㄖ睆溅?0mm）；夾持工件重量（8 kg）；手臂伸縮行程（300 mm）；伸縮速度（120～200 mm/s）；手指回轉(zhuǎn)范圍（0°～11°）。夾持器的總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

夾持器為一倒置的搖桿滑塊結(jié)構(gòu)，其工作原理為：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)中心桿向右運(yùn)動(dòng)（滑塊上A點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)）時(shí)，搖桿BC順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使與支架相連接的手指CD向下，產(chǎn)生加緊動(dòng)作和夾持力；當(dāng)中心桿向左移動(dòng)式（滑塊上A點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)）時(shí)，搖桿BC逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，手指CD向上，實(shí)現(xiàn)松開(kāi)工件。

1.2 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模

為滿足設(shè)計(jì)要求，需分別對(duì)夾持器的手指部分、手腕部分以及手臂部分進(jìn)行受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，并利用SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模，各零件模型如圖2所示。

1.3 夾持器的虛擬裝配

打開(kāi)新建裝配體命令，在進(jìn)入生成裝配體的界面后，點(diǎn)擊“插入零部件”命令，插入各零件，如圖3所示。裝配時(shí)，先運(yùn)用“移動(dòng)零部件”“旋轉(zhuǎn)零部件”命令將零件拖動(dòng)至便于配合的合適位置，再根據(jù)實(shí)際情況在各零件間添加“重合”“平行”“垂直”“距離”“同軸心”等配合約束裝配起來(lái)。裝配時(shí)應(yīng)該注意對(duì)于有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件裝配關(guān)系，應(yīng)保留其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)以構(gòu)成連接，并消除裝配干涉。裝配成的虛擬樣機(jī)如圖4所示。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

COSMOSMotion插件是集成在Solidworks中的運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊，可對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析，操作簡(jiǎn)單，容易掌握。將夾持器虛擬樣機(jī)轉(zhuǎn)入COSMOSMotion時(shí)，裝配約束將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束，添加必要的驅(qū)動(dòng)力、工作阻力，建立仿真模型就可以模擬夾持器運(yùn)行狀況，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。夾持器的運(yùn)動(dòng)分為由液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的主軸水平平移、由液壓擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的主軸旋轉(zhuǎn)以及由主軸水平平移帶動(dòng)的夾持臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。仿真過(guò)程如圖5所示。

3 夾持器受力分析

目前受力分析的有限元軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MSC等，考慮到夾持器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，為避免不同軟件三維模型轉(zhuǎn)換帶來(lái)的困難，該設(shè)計(jì)采用了SolidWorks專有的有限元分析模塊SolidWorks Simulation，該模塊使用有限元的位移公式在內(nèi)部和外部載荷下計(jì)算零件的位移、變形和應(yīng)力，計(jì)算后使用直接稀疏求解器或者是迭代求解器對(duì)其進(jìn)行解算。

3.1 夾持器網(wǎng)格劃分

將夾持器樣機(jī)模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation模塊后，利用Shell Manager工具對(duì)夾持器進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。夾持器網(wǎng)格分布如圖6所示。

3.2 夾持器約束施加

夾持器主軸末端主要是受軸承的徑向約束和軸端的軸向約束，夾持器設(shè)計(jì)的手指類型是V形的，在這個(gè)部位受到的夾緊力是由所夾工件的重力而產(chǎn)生的。施加在夾持器上的約束見(jiàn)圖7所示。

3.3 有限元分析結(jié)果

（1）夾持器的變形分析。

夾持器受力應(yīng)變圖如圖8所示，夾持器變形最大處為抓頭部分，最大的變形量是0.463 mm，變形量較小，因此不會(huì)對(duì)夾持器的工作性能產(chǎn)生影響。

（2）夾持器的應(yīng)力分析。

夾持器所受應(yīng)力圖如圖9所示，最大的應(yīng)力值是221 MPa，產(chǎn)生于拉塊處，但該應(yīng)力值并未超過(guò)夾持器所選材料45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

該文利用SolidWorks軟件建立了工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真及受力分析，提出了一種以虛擬樣機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人末端液壓夾持器設(shè)計(jì)方法，不但可以縮短開(kāi)發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)效率也得到了提高。

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