基于ANSYS的擠奶機(jī)器人末端執(zhí)行器可靠性研究

常博斌，畢亮亮

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著時(shí)代與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平在逐年提高，同時(shí)對(duì)乳制品的需求量越來(lái)越大，牧場(chǎng)中半機(jī)械化的擠奶作業(yè)無(wú)法滿足日常的需求，對(duì)完全自動(dòng)化的需求也在逐年提高，更加智能化、高效率的擠奶機(jī)器人的引入是必要的。擠奶機(jī)器人的引入可以加快牧場(chǎng)智能化的進(jìn)程，同時(shí)牧場(chǎng)擁有擠奶機(jī)器人數(shù)量的多少也是一個(gè)牧場(chǎng)智能化程度的一個(gè)重要體現(xiàn)部分。

現(xiàn)在的擠奶機(jī)器人以?shī)A持式來(lái)夾取奶杯進(jìn)行套杯擠奶作業(yè)，主要的工作的流程是當(dāng)需要擠奶的奶牛進(jìn)入到擠奶箱，擠奶機(jī)器人上的激光定位系統(tǒng)識(shí)別到奶牛，擠奶機(jī)器人控制機(jī)械臂開(kāi)始擠奶作業(yè)，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置，夾持器夾取放置在奶杯架上的奶杯，激光定位裝置對(duì)奶牛乳房進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，擠奶機(jī)器人控制夾持的奶杯運(yùn)動(dòng)到奶牛乳頭的正下方進(jìn)而進(jìn)行套杯工作，但是由于現(xiàn)有的擠奶機(jī)器人采用的是單夾持式的末端執(zhí)行器，因此每對(duì)一頭奶牛進(jìn)行擠奶作業(yè)，都需要上述步驟的重復(fù)，直至4只乳頭全部完成擠奶作業(yè)。其中以美國(guó)擠奶機(jī)器人公司出產(chǎn)的博美特?cái)D奶機(jī)器人為代表，其采用工業(yè)級(jí)6自由度工業(yè)機(jī)器人為主體，具有相應(yīng)時(shí)間短，工作精度高等優(yōu)點(diǎn)。

由于采用夾持式的擠奶機(jī)器人主要采用單個(gè)夾持器進(jìn)行擠奶作業(yè)，每對(duì)一頭奶牛進(jìn)行擠奶作業(yè)需要重復(fù)四次相同操作，導(dǎo)致其工作效率低?；赥RIZ理論設(shè)計(jì)了一款具有雙夾持、角度微調(diào)節(jié)功能的末端執(zhí)行器，可以根據(jù)不同奶牛乳頭的形狀進(jìn)行調(diào)整兩相互垂直的舵機(jī)，再通過(guò)調(diào)節(jié)底部的絲桿滑塊，可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同間距、不同姿態(tài)的牛乳房，如圖1所示。末端執(zhí)行器主要負(fù)責(zé)夾取奶杯架上奶杯對(duì)進(jìn)入擠奶箱的奶牛進(jìn)行套杯作業(yè)。為保證套杯作業(yè)成功，套杯時(shí)需奶杯位于乳頭的正下方與奶牛乳頭同軸心。通過(guò)激光定位裝置對(duì)奶牛乳頭的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，具有雙夾持和可微調(diào)節(jié)控制的末端執(zhí)行器舵機(jī)和底部的電機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行角度調(diào)節(jié)和兩夾持器間距大小調(diào)節(jié)，始終保證兩個(gè)夾持的奶杯和奶牛乳頭同軸心，可以顯著提高擠奶機(jī)器人的套杯率。末端執(zhí)行器作為擠奶作業(yè)中最重要的組成，如果發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致擠奶作業(yè)停滯，則會(huì)給牧場(chǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)其可靠性進(jìn)行研究是必要的[1]。

1 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是一個(gè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中一個(gè)必備的過(guò)程，主要采用有限元法進(jìn)行相應(yīng)的分析求解。有限元法是用數(shù)學(xué)近似的方法來(lái)模擬實(shí)際中真實(shí)的載荷，對(duì)其進(jìn)行單元格的劃分，在劃分的單元節(jié)點(diǎn)之間添加相應(yīng)的載荷進(jìn)行計(jì)算。是將一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。在有限元中，計(jì)算量會(huì)隨著網(wǎng)格的增多而增多。其基本思想是把想要分析的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，再通過(guò)對(duì)離散化計(jì)算分析，得到能滿足工作精度的近似結(jié)果來(lái)代替對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析。其中以ANSYS的最為廣泛，運(yùn)用ANSYS中的Workbench模塊對(duì)擠奶機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元分析。

圖1 末端執(zhí)行器模型

末端執(zhí)行器在擠奶作業(yè)時(shí)，需要承載整個(gè)奶杯以及相對(duì)應(yīng)部分輸奶管的重量，同時(shí)在識(shí)別到乳頭進(jìn)行套杯時(shí)，需要奶杯上頂?shù)倪^(guò)程以便于奶杯的真空系統(tǒng)可以在擠奶作業(yè)過(guò)程中更好的吸附住奶牛的乳頭，防止發(fā)生擠奶作業(yè)時(shí)奶杯意外脫落的風(fēng)險(xiǎn)，上頂?shù)倪^(guò)程也需要對(duì)末端執(zhí)行器施加一定的力，氣動(dòng)夾持器以及下方的兩個(gè)轉(zhuǎn)向舵機(jī)是主要的承受件這就要求整個(gè)末端執(zhí)行器要有一定的強(qiáng)度，來(lái)滿足擠奶作業(yè)要求。末端執(zhí)行器上氣動(dòng)夾手選用普通的鋁合金材料，舵機(jī)主體的材料選用結(jié)構(gòu)鋼，末端執(zhí)行器中最重要的夾片采用304不銹鋼，可以更好的防止日常潮濕環(huán)境對(duì)奶杯夾片性能的影響。同時(shí)為了減輕整個(gè)末端執(zhí)行器的重量，其中的連接件選用高強(qiáng)度鋁合金材料，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 末端執(zhí)行器材料力學(xué)性能

將基于SolidWorks建立的末端執(zhí)行器模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行有限元分析，在軟件中選擇添加靜力學(xué)模塊Static Stuctural[2]。完善材料庫(kù)中所選用材料的各類(lèi)性能參數(shù)，其中彈性?shī)A片的材料選用0Cr18Ni9，夾手本體部分以及舵機(jī)的支撐框架的材料選用6061鋁合金，其余部分選用普通結(jié)構(gòu)鋼材料，全局網(wǎng)格采用自動(dòng)劃分原則，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為2mm，設(shè)置相關(guān)度“Relevance”數(shù)值為90，得到了細(xì)致均勻的網(wǎng)格化，網(wǎng)格劃分的總單元數(shù)量為280789，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為173979繪制完的網(wǎng)格共個(gè)模型并對(duì)末端執(zhí)行器上最下部分的轉(zhuǎn)向舵機(jī)底部施加固定約束，彈性?shī)A片的內(nèi)端面是夾取奶杯作業(yè)的端面，因而對(duì)末端執(zhí)行器上彈性?shī)A片內(nèi)部端面處施加30N的極限載荷來(lái)進(jìn)來(lái)仿真，最后得到相應(yīng)的變形云圖和應(yīng)變圖以及應(yīng)力圖。求解后結(jié)果如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器仿真分析結(jié)果圖

由圖2末端執(zhí)行器仿真分析結(jié)果可知：（1）末端夾持器最大的形變量集中在夾持片上，最大形變量為0.30368mm，最大的應(yīng)變量為0.00069mm。（2）末端夾持器最大的應(yīng)力為45.52MPa，位于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的連接件處，遠(yuǎn)小于末端執(zhí)行器上選用材料的許用應(yīng)力，滿足日常擠奶作業(yè)需求。

2 末端執(zhí)行器模態(tài)分析

模態(tài)分析可以得到設(shè)備的固有頻率即共振頻率及設(shè)備在這些共振頻率下的形變情況，是對(duì)其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)[3]。因而對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行模態(tài)分析是保證擠奶機(jī)器人可靠運(yùn)行的必要手段。

結(jié)合靜力學(xué)中的材料參數(shù)，對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行模態(tài)分析[4]，將三維模型導(dǎo)進(jìn)ANSYS中的model模塊，設(shè)置好參數(shù)好然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分為2mm，劃分成功后進(jìn)行求解，在最下方的舵機(jī)支架上添加固定約束，進(jìn)行前4階模態(tài)分析，前兩階模態(tài)分析如圖3所示。

圖3 末端執(zhí)行器的振型圖

運(yùn)用ANSYS中的模態(tài)模塊可以看出在4階模態(tài)中，如表2所示。其可以觸發(fā)的最低階的的振動(dòng)固有頻率為115.11Hz，觸發(fā)的最高的振動(dòng)固有頻率為343.21 Hz，末端執(zhí)行器在1階模態(tài)時(shí)，末端執(zhí)行器的整體發(fā)生左右擺動(dòng)，其幅度范圍較?。恢饕性谀┒藞?zhí)行器的上端位置，末端執(zhí)行器最大的變形范圍集中在彈性?shī)A片以及和彈片連接的氣動(dòng)夾持器上端位置；末端執(zhí)行器在2階模態(tài)時(shí)的固有頻率為121.86Hz，末端執(zhí)行器的整體發(fā)生前后方向的擺動(dòng)，擺動(dòng)以兩轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的連接處為中心進(jìn)行，其幅度范圍較??；主要集中在末端執(zhí)行器的上半部分位置，末端執(zhí)行器最大的變形范圍集中在彈性?shī)A片的位置；末端執(zhí)行器在3階模態(tài)時(shí)的固有頻率為317.83Hz，末端執(zhí)行器的整體發(fā)生左右方向的擺動(dòng)，擺動(dòng)以兩轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的連接處為中心進(jìn)行，主要集中在彈性?shī)A片上，發(fā)生左右擺動(dòng)其幅度范圍較大；，末端執(zhí)行器最大的變形范圍集中在彈性?shī)A片前段的位置；末端執(zhí)行器在4階模態(tài)時(shí)的固有頻率為343.21Hz，末端執(zhí)行器發(fā)生左右方向的張合扭轉(zhuǎn)，擺動(dòng)以氣動(dòng)夾持器與兩彈性?shī)A片的連接處為中心進(jìn)行，主要集中在彈性?shī)A片上，發(fā)生左右張合扭轉(zhuǎn)幅度較大，末端執(zhí)行器最大的變形范圍集中在彈性?shī)A片前段的位置。

末端執(zhí)行器在日常擠奶作業(yè)中，末端執(zhí)行器受的角度調(diào)節(jié)舵機(jī)和底部伺服電機(jī)的振動(dòng)沖擊，這些為低頻振動(dòng)沖擊，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)可以僅考慮低階固有頻率和振型的影響，因此只計(jì)算前4階模態(tài)。

由表2可以看出，末端執(zhí)行器的1階固有頻率115.11Hz，末端執(zhí)行器在工作中無(wú)法觸發(fā)其1階模態(tài)振型，因此可以認(rèn)為末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性也滿足要求。

表2 末端執(zhí)行器4階模態(tài)表

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)擠奶機(jī)器人的關(guān)鍵部分末端執(zhí)行器進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析和模態(tài)仿真分析，得到以下成果：

（1）擠奶機(jī)器人的末端執(zhí)行器最大變形量為0.30368mm集中在彈性?shī)A片上；最大應(yīng)力為45.52MPa，集中在兩旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的連接處，其極限載荷時(shí)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于選用材料的許用應(yīng)力，靜態(tài)強(qiáng)度滿足要求。

（2）末端執(zhí)行器在日常擠奶作業(yè)時(shí)無(wú)法觸發(fā)其1階模態(tài)振型，因此末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性也滿足要求。仿真結(jié)果為后期擠奶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。