ANSYS和ADAMS在菌落挑取機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用

李體仁，周小琦，，楊文林，黃 超

（1.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.廣州中國科學(xué)研究院先進技術(shù)研究所，廣東 廣州 511458）

1 引言

微生物基因組研究被評為世界重大科學(xué)進展之一，己被廣泛用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保、輕化工等多個重要領(lǐng)域，實驗室探索引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變，具有很高的經(jīng)濟潛力［1］。在眾多的應(yīng)用中，都會涉及到高通量克隆篩選［2］。然而現(xiàn)如今菌落挑選系統(tǒng)只有國外幾家大公司研發(fā)生產(chǎn)，且價格十分昂貴。此外，目前大部分菌落挑選機器人都是三坐標(biāo)聯(lián)動實現(xiàn)安裝在Z軸上的挑針頭的移動，這種模式使得菌落挑選過程中的各個動作必須依次進行，極大的限制了挑取的速度，并且挑針頭上裝配的多個挑針是單獨運作的，使得挑針頭結(jié)構(gòu)復(fù)。

另外，現(xiàn)克隆菌落機器人基本只能實現(xiàn)其自身自動化，系統(tǒng)集成自動化能力較低［3-7］。

這里設(shè)計了一款轉(zhuǎn)盤式的菌落挑取機器人，克服了目前市場上菌落挑取機器人存在的以上種種缺陷。轉(zhuǎn)盤上的挑取機構(gòu)與兩側(cè)的平面移動臺、清洗裝置、加熱器相互配合，實現(xiàn)挑取、接種、清洗、加熱同步進行，極大地提高了挑取速度，使挑針可循環(huán)利用，同時結(jié)構(gòu)更加簡單，集成自動化程度高，研發(fā)成本更低。并對關(guān)鍵部件即挑取機構(gòu)進行研究，保證本設(shè)計在靜載荷下位移變形在誤差范圍內(nèi)以及從動轉(zhuǎn)盤在動態(tài)情況下運行平穩(wěn)、準確挑取。

2 菌落挑取機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計采用的“轉(zhuǎn)盤式”的獨特結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圓形轉(zhuǎn)盤上均勻分布10個挑取機構(gòu)，即轉(zhuǎn)盤上的10個工位，分度器控制從動轉(zhuǎn)盤完成36°轉(zhuǎn)動后定時停歇的間歇性動作，工位1、5、7、8、9的上方都設(shè)置一個氣缸，氣缸驅(qū)動挑取機構(gòu)做Z軸方向的運動。

圖1 菌落挑取機器人機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Structure of Colony Picking Robot

結(jié)構(gòu)運行過程，如圖2所示。在通過視覺定位模塊確定目標(biāo)菌落的位置坐標(biāo)后，控制X、Y平面移動臺1移動培養(yǎng)皿到轉(zhuǎn)盤工位1，工位1挑取機構(gòu)開始挑取菌落，挑針挑取到目標(biāo)菌落后，挑取機構(gòu)自動回復(fù)。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案原理Fig.2 Overall Structural Design Principle

經(jīng)過轉(zhuǎn)盤幾次停轉(zhuǎn)到工位5，X、Y平面移動臺2移動96微孔板到工位5，工位5挑取機構(gòu)將菌落接種到96微孔板中，X、Y平面移動臺2快速晃動從而讓挑針上的菌落脫落，完成菌落的接種。轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動到工位7、8，這兩個工位都安裝清洗槽，由于轉(zhuǎn)盤暫停時間固定，而清洗動作是耗時最多的動作，一次清洗不到位達到預(yù)期效果，故設(shè)置7、8兩個清洗工位，分兩次完成既滿足了時間控制又達到清洗要求。

挑取機構(gòu)將挑針插入清洗槽中，此時蠕動泵控制清洗液進入清洗槽完成對挑針的清洗。

在清洗之后，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動到工位9，這個工位安裝有加熱器，挑取機構(gòu)將挑針插入到加熱器中，加熱器高溫可以在短時間內(nèi)對挑針進行滅菌。在完成滅菌后，轉(zhuǎn)盤再轉(zhuǎn)動到工位1位置，可以繼續(xù)下一輪挑取。

集成自動化實現(xiàn)原理，如圖3所示。該設(shè)計方案中培養(yǎng)皿、96微孔板是通過X、Y平面移動臺移動，儀器可以與機器臂、堆板架集成構(gòu)成自動化實驗?zāi)K，實現(xiàn)培養(yǎng)皿、96微孔板自動換取，同時整個自動化實驗?zāi)K可以與其他模塊進行集成，這樣為實現(xiàn)自動化實驗室提供了條件。

圖3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案自動化方式Fig.3 Automation of Overall Structural Design Scheme

3 挑取部件的靜力學(xué)分析

3.1 氣缸安裝板和轉(zhuǎn)盤的受力分析

3.1.1 氣缸安裝板的受力分析

氣缸安裝板的受力示意圖，如圖4所示。圖中：T1、T2—固定支撐的支反力；G1—氣缸安裝板的自身重力；F1、F2、F3、F4、F5—氣缸部件的重力。

圖4 氣缸安裝板的受力示意圖Fig.4 Force Diagram of Cylinder Mounting Plate

所以氣缸安裝板的受力可以用下式表示為：

氣缸安裝板采用鋁合金6061，可以估算出其所受重力G1為78.36N，氣缸采用SMC 滑臺氣缸MXQ8A，所以其重量F1為9.13N。

3.1.2 轉(zhuǎn)盤的受力分析

轉(zhuǎn)盤的受力示意圖，如圖5所示。其中，T3—中心支撐的支反力；G2、G3—轉(zhuǎn)盤、挑取機構(gòu)的重力；F6—氣缸對挑取機構(gòu)的推力。轉(zhuǎn)盤上均勻分布10個挑取機構(gòu)，其中5個位置受到氣缸相同的推力。

圖5 轉(zhuǎn)盤的受力示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Force on Rotary Table

轉(zhuǎn)盤的受力情況用下式表示：

轉(zhuǎn)盤采用鋁合金6061，根據(jù)設(shè)計的尺寸可以計算出其所受重力G2為105.94N，挑取機構(gòu)的自身重力G3為5.71N。

氣缸對挑取機構(gòu)的推力等于挑針到達最低位置時彈簧的壓縮力，可以根據(jù)下式表示為：

式中：k—彈簧的剛度系數(shù)（N/mm）；x—彈簧的最大形變量（mm）。

壓縮彈簧采用不銹鋼絲SWPB，其剛度系數(shù)k為0.236N/mm，彈簧的最大形變量x為70mm，推力F6為16.52N。所以支反力T3等于128.17N。

3.2 基于ANSYS Workbench的有限元分析

氣缸安裝板和轉(zhuǎn)盤都采用鋁合金6061。將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，首先設(shè)置材料屬性，然后對設(shè)置約束和負載，模型劃分網(wǎng)格，最后進行相應(yīng)的求解［8］。分別求解氣缸安裝板在Z軸方向的應(yīng)力應(yīng)變，以及轉(zhuǎn)盤X、Y和Z向的應(yīng)變，最終檢驗設(shè)計的位移變形在誤差范圍內(nèi)。

3.2.1 氣缸安裝板的有限元分析

將氣缸安裝板模型導(dǎo)入到ANSYS軟件后，先劃分合適的網(wǎng)格，根據(jù)對其的受力分析依次添加約束、載荷，然后求解可以得到氣缸安裝板的應(yīng)力和位移變形分布，如圖6、圖7所示。

圖6 氣缸安裝板的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress Distribution Nephogram of Cylinder Mounting Plate

圖7 氣缸安裝板的Z向位移變形分布云圖Fig.7 Z-Direction Displacement and Deformation Distribution Cloud Diagram of Cylinder Mounting Plate

可得的靜力學(xué)分析結(jié)果，如表1所示。氣缸安裝板的最大應(yīng)力為2.63MPa，查表知鋁合金6061的屈服應(yīng)力為280MPa，取安全系數(shù)為2，則氣缸安裝板的許用應(yīng)力為［σ］=σ/2=140MPa，最大應(yīng)力遠小于許用應(yīng)力，所以強度可靠。氣缸安裝板的最大位移變形為0.18mm，由菌落挑取定位精度分析Z向的定位精度為0.5mm，氣缸的定位精度0.2mm，最大位移變形小于0.3mm，所以氣缸安裝板的剛度滿足Z軸定位精度要求。

表1 氣缸安裝板的靜力學(xué)分析結(jié)果Tab.1 Static Analysis Results of Cylinder Mounting Plate

表2 轉(zhuǎn)盤的靜力學(xué)分析結(jié)果Tab.2 Static Analysis Results of Turntable

3.2.2 轉(zhuǎn)盤的有限元分析

將轉(zhuǎn)盤模型導(dǎo)入到ANSYS軟件后，先劃分合適的網(wǎng)格，根據(jù)對其的受力分析依次添加約束、載荷，然后求解可以得到氣缸安裝板X向、Y向和Z向的位移變形分布，如圖8～圖10所示。

圖8 轉(zhuǎn)盤X向位移變形云圖Fig.8 X-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

圖9 轉(zhuǎn)盤Y向位移變形云圖Fig.9 Y-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

圖10 轉(zhuǎn)盤Z向位移變形云圖Fig.10 Z-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

平面定位誤差主要包括運動定位誤差h1和零部件的位移變形誤差h2，只有位移變形誤差h2與運動定位誤差h1滿足式（7）時，才可保證菌落挑取平面定位精度。

在儀器設(shè)計時挑取機構(gòu)的定位誤差設(shè)定值，如表3所示。根據(jù)表3給出的設(shè)定值，由式（8）可計算出挑針運動定位誤差h1，等于0.076mm。

表3 挑取機構(gòu)定位誤差設(shè)定值Tab.3 Setting Value of Positioning Error

由表2 和式（9）可以計算轉(zhuǎn)盤的平面位移變形h2，等于0.0032mm。根據(jù)以上計算可知，滿足式（7），即就是轉(zhuǎn)盤的剛度滿足菌落挑取定位精度要求。

式中：h1—挑針運動定位誤差（mm）；h2—轉(zhuǎn)盤的平面位移變形（mm）；r—挑針在極坐標(biāo)下的半徑值（mm）；l—挑針在極坐標(biāo)下半徑定位誤差（mm）；θ—挑針在極坐標(biāo)下角度定位誤差（度）；?x—轉(zhuǎn)盤在X方向的位移變形誤差（mm）；?y—轉(zhuǎn)盤在Y方向的位移變形誤差（mm）。

通過對氣缸安裝板、轉(zhuǎn)盤的有限元分析，發(fā)現(xiàn)其在靜力載荷作用下的位移變形在儀器設(shè)計的誤差范圍內(nèi)，其剛度滿足氣缸在Z向定位以及挑取機構(gòu)在平面定位的設(shè)計要求。

4 菌落分度挑取機構(gòu)動力學(xué)分析

4.1 菌落分度挑取機構(gòu)理論運動規(guī)律設(shè)計

在本設(shè)計中弧面分度凸輪轉(zhuǎn)速n為30r/min，由式ω1=2πn/60可以計算出主動軸角速度ω1為πrad/s?；∶娣侄韧馆喌膭油１葹?，即tf/td=θf/θd=1。由式（10）弧面分度凸輪主動軸分度轉(zhuǎn)角θf和停歇轉(zhuǎn)角θd等于180°。由式（11）可得停歇時間等于轉(zhuǎn)動時間等于1s。

對于本設(shè)計中的高速機構(gòu)，為減小慣性力，改善動力性能，要求無剛性或柔性沖擊在四種從動件的運動規(guī)律中選擇正弦加速度運動規(guī)律，由此設(shè)計凸輪的輪廓。

4.2 菌落分度挑取機構(gòu)動力學(xué)仿真模型

菌落分度挑取機構(gòu)模型，如圖11所示。首先將菌落分度挑取機構(gòu)的三維模型以“.X_T”格式文件導(dǎo)入到動力學(xué)仿真軟件ADAMS中，構(gòu)建其動力學(xué)仿真模型。在ADAMS軟件中，為模型設(shè)置材料屬性，添加重力加速度、定義約束、定義接觸力等［9］。

圖11 菌落分度挑取機構(gòu)模型Fig.11 Model of Colony Indexing Picking Mechanism

（1）初始設(shè)置。定義模型的重力加速度，將弧面分度凸輪和分度盤的材料都設(shè)置為steel。

（2）添加約束。將弧面分度凸輪與地面定義旋轉(zhuǎn)副，分度盤與地面定義旋轉(zhuǎn)副，分度盤與轉(zhuǎn)盤定義固定副，分度盤與弧面分度凸輪定義為接觸副。

（3）接觸力定義。為了精確模擬真實弧面分度凸輪的運轉(zhuǎn)情況，這里需要設(shè)置弧面分度凸輪與分度盤之間的接觸力?；∶娣侄韧馆喤c分度盤的接觸基本上是單次碰撞，所以采用沖擊函數(shù)可以計算。在仿真過程中需要計算接觸剛度。接觸剛度可以用下式計算：

式中：1/R=1/R1+1/R2，R1—凸輪的當(dāng)量半徑；R2—從動盤滾子的當(dāng)量半徑。

式中：μ1—弧面分度凸輪的泊松比；μ2—滾子的泊松比；E1—弧面分度凸輪的楊氏模量；E2—滾子的楊氏模量。將參數(shù)代入式（12）中計算K等于7.5×105N/mm2。

（4）驅(qū)動定義。在凸輪與大地之間的轉(zhuǎn)動副上添加電機驅(qū)動并設(shè)置轉(zhuǎn)速為180°/s。

（5）求解器設(shè)置。首先為了能夠更加精確地計算加速度和凸輪與滾子之間的接觸力，這里應(yīng)該選擇計算精度更高的求解器。積分求解器選擇WSTIFF，積分格式選擇SI2。

4.3 基于ADAMS的動力學(xué)仿真分析

根據(jù)以上設(shè)定，在ADAMS 軟件中進行動力學(xué)仿真，在ADAMS 軟件postprocessor 后處理模塊對仿真結(jié)果進行分析，最終得到轉(zhuǎn)盤的角位移、角速度、角加速度變化曲線和弧面分度凸輪機構(gòu)中分度盤所受的負載轉(zhuǎn)矩變化曲線，如圖12～圖15所示。

圖12 轉(zhuǎn)盤的角位移曲線Fig.12 Angular Displacement Curve of Turntable

圖13 轉(zhuǎn)盤的角速度曲線Fig.13 The Angular Velocity Curve of Turntable

在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)盤的角位移、角速度、角加速度的變化曲線，如圖12～圖14所示。在分度時間1s內(nèi)其角位移為36°，在停歇時間1s內(nèi)轉(zhuǎn)盤處于停歇狀態(tài)，所以整個位移過程與理論位移完全吻合；角速度是正弦曲線，在分度期中最大角速度達到80°/s，與理論角速度曲線完全符合。與弧面分度凸輪從動件的理論修正正弦加速度運動規(guī)律基本符合，最大角加速度達到487°/s2，在后期減速過程中角加速度波動幅度相對較大，主要是由于弧面分度凸輪所拖動的負載轉(zhuǎn)動慣量與弧面分度凸輪機構(gòu)自身的慣量相差較大所引起的慣性沖擊。但整個沖擊處于合理范圍，并且很快衰減，在時間為1s左右角加速度基本很快降低為0，與理論角加速度變化情況相符。圖15為弧面分度凸輪機構(gòu)分度盤所受的負載轉(zhuǎn)矩變化曲線，其變化趨勢與轉(zhuǎn)盤的角加速度變化趨勢一致，最大負載轉(zhuǎn)矩為17N·m。

圖14 轉(zhuǎn)盤的角加速度曲線Fig.14 Angular Acceleration Curve of Turntable

圖15 分度盤負載轉(zhuǎn)矩曲線Fig.15 Load Torque Curve of Indexing Plate

根據(jù)菌落分度挑取機構(gòu)的動力學(xué)分析仿真結(jié)果可以看出，在挑取過程中轉(zhuǎn)盤的角位移、角速度、角加速度變化情況與理論變化趨勢基本吻合，在起動和停止時刻并沒有出現(xiàn)大的沖擊，從而保證了菌落挑取機構(gòu)的運行平穩(wěn)。

5 結(jié)論

這里設(shè)計了一種可多針同時獨立工作、轉(zhuǎn)盤式的新型菌落挑選機器人，并對核心的挑取接種模塊進行設(shè)計和研究。包括利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對轉(zhuǎn)盤和氣缸安裝板這兩個直接影響挑取精度的零件進行靜力學(xué)分析，以及利用仿真軟件ADAMS對分度盤所受轉(zhuǎn)矩和與分度盤固定副連接的轉(zhuǎn)盤的運動結(jié)果進行仿真分析。

最終靜力學(xué)分析結(jié)果表明氣缸安裝板的Z軸定位精度和轉(zhuǎn)盤的平面定位精度滿足性能要求；動力學(xué)仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)盤滿足從動件正弦加速度運動規(guī)律。

本設(shè)計挑取部件在靜態(tài)、動態(tài)情況下都能實現(xiàn)運行平穩(wěn)、準確挑取。