基于ANSYS的機(jī)械臂吹掃裝置

范 瑜， 金曉怡， 劉雙龍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

由于六軸工業(yè)機(jī)械臂具有搬運(yùn)能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活和遙操作控制好等優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用于零件的制造、加工、搬運(yùn)和裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)中。經(jīng)過(guò)多年的更新迭代，工業(yè)機(jī)械臂已是提高機(jī)器自動(dòng)化生產(chǎn)效率、優(yōu)化員工工作條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量的主要工具之一[1]。在危險(xiǎn)工況下或者一般工況下遇到突發(fā)情況，機(jī)械臂的使用可一定程度上避免人員發(fā)生安全問(wèn)題[2]。機(jī)械臂在使用過(guò)程中，需要能精準(zhǔn)地從物料盤中選取所需工作的物體，并要求在工作完成后放置到指定位置。手表表殼外表面拋光過(guò)程中，由于表殼表面附著蠟，機(jī)械臂在完成拋光工作后，夾持機(jī)構(gòu)收縮準(zhǔn)備放置表殼時(shí)，會(huì)與表殼發(fā)生粘連，導(dǎo)致表殼無(wú)法正常脫落。這時(shí)再通過(guò)人力脫落表殼既影響零件的加工效率，也失去了使用自動(dòng)化機(jī)械的初衷。因此，課題組設(shè)計(jì)了一種機(jī)械臂防粘連吹掃裝置，使機(jī)械臂在加工完成后對(duì)表殼施加吹掃力，從而幫助其正常脫落。

1 防粘連吹掃裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該防粘連吹掃裝置如圖1所示，主要由氣管、固定夾和自制噴嘴等[3]組成。機(jī)械臂在夾持機(jī)構(gòu)樣嘴收縮動(dòng)作前，通過(guò)L型氣動(dòng)軟管快插接頭將氣缸的壓縮氣體輸送至氣管內(nèi)，再由與氣管連接的4個(gè)自制噴嘴噴出，吹出的吹掃力可將表殼順利脫離，到達(dá)指定位置。

圖1 防粘連吹掃裝置機(jī)構(gòu)圖Figure 1 Mechanism diagram of anti-adhesion purging device

圖2為吹掃裝置中氣管結(jié)構(gòu)的剖面圖。各個(gè)零件的選擇：氣管選用銅材料；噴嘴可選用NEX FLOW 47000A型號(hào)的微型空氣噴嘴，但價(jià)格偏貴，因此用銅管自制。自制噴嘴出口處由圓管漸變成橢圓管，使得氣體經(jīng)過(guò)扁平噴嘴時(shí)壓力增加，可達(dá)到與微型空氣噴嘴同樣的功效[4]。L型氣動(dòng)軟管快插接頭是連接氣管和氣腔的重要組成部分，氣腔內(nèi)的壓縮氣體經(jīng)軟氣管進(jìn)入快插接頭，再通過(guò)快插接頭進(jìn)入吹掃裝置的銅管，完成送氣過(guò)程。該裝置氣管結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 氣管結(jié)構(gòu)剖面圖Figure 2 Section of air tube structure

表1 吹掃裝置氣管結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of trachea structure of purging device mm

2 計(jì)算方法與仿真建模

2.1 基本方程

目前，研究流體運(yùn)動(dòng)描述方法主要有2種：一種是拉格朗日分析法，即將各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析綜合起來(lái)，研究整個(gè)流體的運(yùn)動(dòng)；另一種方法是歐拉法，即通過(guò)觀察固定點(diǎn)處的流體運(yùn)動(dòng)研究整個(gè)空間的運(yùn)動(dòng)[5]。課題組選取歐拉法測(cè)速，通過(guò)觀察入口處和出口處定點(diǎn)的速度變化，得到壓縮氣體在噴嘴內(nèi)的流速情況。

在t時(shí)刻任意壓縮氣體質(zhì)點(diǎn)的各方向速度可表示為：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)動(dòng)量守恒，可得到該質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度：

(4)

式中：ρ為流體的密度，kg/m3；F為流體所受的外力(在此機(jī)構(gòu)中外力可忽略不計(jì))，N；px,py和pz分別表示x，y和z方向的動(dòng)量。

該噴嘴裝置的能量轉(zhuǎn)換效率為

式中：Ps為地面噴嘴壓力；Pf為流體沿程摩阻；Cd為噴嘴流量系數(shù)。

2.2 三維模型的建立

針對(duì)該裝置進(jìn)氣口位置的設(shè)計(jì)，筆者提出了2種方案進(jìn)行討論。圖3為進(jìn)氣口位于噴嘴正上方的三維模型，圖4為進(jìn)氣口位于2個(gè)噴嘴之間的三維模型。在2個(gè)模型僅進(jìn)氣口位置不同，其余條件均相同的情況下通過(guò)對(duì)2個(gè)方案的仿真分析[6]，來(lái)確定該裝置的最優(yōu)方案。

圖3 方案ⅠFigure 3 Programme Ⅰ

圖4 方案ⅡFigure 4 Programme Ⅱ

2.3 網(wǎng)格劃分

將SolidWorks建好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件[7]中，利用ANSYS FLUENT模塊對(duì)該模型的流體域進(jìn)行流體力學(xué)分析[8]。由于噴管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較為細(xì)小，因此網(wǎng)格劃分采用較小的尺寸，網(wǎng)格的尺寸為1 mm。為保證仿真的可靠性，對(duì)氣管的連接處和進(jìn)氣、出氣口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[9]。處理后的整體面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為42 440，單元為1 396 219，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.821 99。以方案Ⅱ?yàn)槔?，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果Figure 5 Gridding results

氣管采用固定約束。介質(zhì)為壓縮空氣，密度為7.14 kg/m3。入口條件為速度入口，設(shè)定為30 m/s, 出口為自由出口, 壁面條件為靜止壁面。本研究以該裝置水平時(shí)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)為對(duì)象，暫不考慮轉(zhuǎn)向、重力、振動(dòng)等參數(shù)對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的影響。

2.4 流體力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)FLUENT模塊仿真分析計(jì)算[10]，其結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 2種方案的流跡線云圖Figure 6 Flow trace cloud map of two schemes

圖7 2種方案迭代計(jì)算曲線Figure 7 Iterative calculation curve of two schemes

圖8 2種方案壓力分布云圖Figure 8 Cloud map of two schemes

根據(jù)圖6的流跡線云圖和圖9的速度矢量云圖可知，吹掃裝置進(jìn)氣口速度較大，氣管內(nèi)速度逐漸降低。根據(jù)流體力學(xué)的節(jié)流原理，當(dāng)氣體流經(jīng)扁平噴嘴時(shí)，流束將在扁平噴嘴的出口處形成局部收縮，從而使氣體流速增加，達(dá)到提速的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中方案Ⅰ中4個(gè)扁平噴嘴出口處的速度均大于16.99 m/s；方案Ⅱ中4個(gè)扁平噴嘴出口處的速度略大于方案Ⅰ，最小值為17.39 m/s。將速度16.99 m/s代入公式Ft=Δmv和m=ρV，得到噴嘴吹出力的最小值為4.25 N。通過(guò)對(duì)工廠機(jī)械臂實(shí)地考察，在0.6 MPa的壓力下使表殼順利脫落的最小力為1.5 N。根據(jù)圖7的迭代曲線得出2種方案均可收斂。由以上分析結(jié)果，可知2種方案均滿足要求。對(duì)比方案Ⅰ和方案Ⅱ，發(fā)現(xiàn)2者在遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的區(qū)域氣流很少，流線分布稀薄，氣流流速較低。不同在于，由于進(jìn)氣口位置的不同，方案Ⅱ的吹掃裝置在遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的區(qū)域幾乎沒(méi)有氣流分布，不利于整體氣壓的穩(wěn)定性。

圖9 2種方案速度矢量云圖Figure 9 Speed vector cloud map of two schemes

根據(jù)吹掃裝置氣管結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)云圖顯示，吹掃裝置內(nèi)部壓力場(chǎng)隨時(shí)間變化，氣流進(jìn)入進(jìn)氣口后迅速擴(kuò)散，整個(gè)流域區(qū)域內(nèi)，除去進(jìn)氣口位置壓力較高外，其余部分的壓力場(chǎng)分布相對(duì)比較均勻，整個(gè)氣管壓力均小于最大工作壓力2.75 MPa。綜上所述，2種方案均可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的吹掃功能。雖然方案Ⅱ出口處的速度相對(duì)較高，但基于整體穩(wěn)定性考慮，氣流分布較為均勻的方案Ⅰ質(zhì)量更優(yōu)。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)機(jī)械臂在拋光工作結(jié)束后與表殼發(fā)生的蠟粘著問(wèn)題，提出了2種關(guān)于進(jìn)氣口位置不同的吹氣裝置方案。對(duì)這2種方案進(jìn)行三維建模和流體動(dòng)力學(xué)分析，可得到以下結(jié)論：

1) 根據(jù)2種方案的流線圖和速度矢量圖，可得出：雖然氣體在進(jìn)入吹掃裝置后速度有所下降，遠(yuǎn)離進(jìn)氣口區(qū)域氣流較小，但由噴嘴出口處速度矢量可知2種方案均可使表殼順利脫離；位于噴嘴正上方的方案整體氣流分布更加穩(wěn)定，吹氣質(zhì)量更優(yōu)。

2) 根據(jù)壓力分布云圖可知2種方案的最大受壓位置在進(jìn)氣口處，整個(gè)裝置受力均在最大工作壓力之內(nèi)。