基于虛擬樣機技術的機械臂設計方法

鄭志榮等

【摘 要】 結合實際案例，分析了基于虛擬樣機技術的機械臂設計方法，并探討可用于特種大型復雜機械的仿真技術方 法。

【關鍵詞】 機械臂；虛擬樣機模型；動力學仿真；靜力學計算

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.01.018

【Abstract】Combined with the actual case， the design method of mechanical arm based on virtual prototype technology was analyzed， and simulated technology method that can be applied to special large and complex machinery was also explored as well.

【Key Words】mechanical arm； virtual prototype model； dynamics simulation； statics calculation

引言

武漢中央文化區漢街知音廣場東側，設置有用于群眾演出的漢街大戲臺。戲臺采用仿古木構建筑風格，舞臺后區布置了3套六自由度的大型機械臂，其端部安裝LED顯示屏。通過機械臂的各種動作組合，實現LED背景在整個舞臺任意空間內的無縫拼接和連續顯示，是場內最出彩的設備之一。

機械臂由立柱、后臂、前臂、支座B、支座A和顯示屏組成，立柱高度32.02 m，最大臂展27.053 m，顯示屏面積11.25 m×6.66 m，每套機械臂重量達270 t 左右。機械臂上共有6個關節，從端部到根部依次為LED旋轉屏、支座A、支座B、前臂、大臂和支承柱，如圖1所示。

與目前常規的舞臺機械相比較，機械臂具有體積大、自由度多、慣量大、速度快、精度高、安全性和可靠性要求高等特點。因此，對這種特型舞臺機械的開發不能采用平面設計、樣機加工、現場試驗這樣的傳統模式，而應建立其虛擬樣機模型，從而進行全方位的數字化設計與分析。通過建立機械臂的虛擬樣機模型，將實際產品的外觀、空間關系等以圖形的方式顯示，并模擬其在真實工程條件下的運動學、動力學和靜力學特性，根據特性數據不斷修正優化設計方案，不僅可提高設計效率、縮短設計周期、節約設計成本，更重要的是可以更大限度地保證設計安全性，提高樣機研發的成功率。

1 虛擬樣機模型

基于Pro/E軟件（3D CAD/CAM系統的標準軟件）的變量化設計和實體造型技術，可以完成機械臂各零部件的建模與整體裝配。機械臂的主要部件模型有LED旋轉屏（roll#01）、支座A（slew#02）、支座B（pitch#03）、前臂（pitch#02）、大臂（pitch#01）、提升缸（lift）、支承柱（slew#01）、配重（balance）等。模型的裝配應遵循真實動作原則，并進行模型全方位的干涉檢查與修正。其模擬三維模型如圖2所示。

Pro/E軟件中建立的三維模型應保證與實際產品的完全一致，包括結構細節、各部分材質與密度等，這些將直接影響到分析的精確性。利用Pro/E與機械系統動力學自動分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）的接口軟件Mechanism/PRO，將準確的實體模型部件定義為若干剛性體部分（Part），并設定一些重要的關鍵點（Marker），將上述三維模型圖導出為ADAMS分析可用的文件。

2 動力學仿真

動力學仿真的意義是替代常規的物理樣機試驗，將常規物理樣機的動作試驗、數據采集等在計算機環境下實現；仿真的準確性取決于三維模型、驅動參數等與實際產品的接近程度。

動力學仿真的主要目的有：計算各驅動系統的功率、輸出扭矩或輸出力，用于傳動系統的設計選型；計算各運動關節在運行過程中的速度、位移或轉角，用于驅動控制系統設計；計算各部件的運動慣性力，用于校核其結構強度。

2.1 仿真模型

建立仿真模型時，采用ADAMS進行產品的動力學計算，機械臂的動力學模型由Mechanism/PRO接口導出，各部件的慣量、重心等經過Pro/E設計過程校驗，可保證與實際產品的一致性；各關節的運動副在ADAMS中建立，主要有旋轉副與滑動副兩類。機械臂動力學模型如圖3所示。

2.2 驅動參數

機械臂包含了主要的直接承受驅動力的運動部件，其中：提升缸由液壓系統驅動，啟動與制動時間均控制在5 s，以勻加速方式啟/制動；其余各部件的運動關節均采用電機驅動，同樣在5 s內勻加（減）速啟（制）動。但是，如果有意外斷電等情況發生，無法控制勻減速停止，提升缸須在應急液壓控制元件的保證下2 s內快速停止，旋轉關節須在制動力矩控制下快速停止。另外，快速制動產生的慣性力較大，對設備結構有不利影響。主要驅動參數見表1。

實際演出時，機械臂的運動部件會進行不同的組合動作，以配合演員的表演。不同動作對機械臂結構的影響不同，本文綜合全部關節啟動或制動的惡劣工況，進行動力學計算。動作大致流程如下：slew#01順時針啟動，slew#02逆時針啟動，pitch#03向上啟動，roll#01順時針啟動，前臂pitch#02向上啟動，lift向上啟動，各關節啟動并達到額定速度后，正常減速至零并開始反向啟動，反向達到額定速度（位置接近該狀態起始位置）時，各關節以表1中的制動力矩制動，油缸受控2 s內減速至0。

2.3 計算結果

經過計算，每個運動關節均可得到驅動功率、驅動（制動）力矩或驅動（制動）力、啟動（制動）加速度、啟動（制動）位移等參數，這些數據可為設計選型及強度分析提供依據。因全部計算結果、數據、曲線等信息量較大，無法一一列舉，以下僅列出LED屏（旋轉關節roll#01）的驅動功率曲線與加速度曲線，分別如圖3、圖4所示。endprint

運行過程中，驅動功率最大值約為3 kW，考慮安全余量，選擇5.5 kW電機；LED屏的最大合成加速度約0.9 ×9.8 m/s2，可作為設備強度計算的依據。

3 靜力學計算

近年來，靜力學計算已越來越多地應用于工程實踐中，可以分析較為復雜的結構，并提高計算的精確性，從而彌補傳統經驗公式計算的不足，為設計階段的強度校驗和結構優化提供相對準確的分析依據；同時，也使對許多物理樣機無法實測環節的分析成為可能。

靜力學計算的主要目的有：計算不同受力時各零部件的應力分布；計算各零部件的撓度與受力變形；計算結構的穩定性；結構優化。

3.1 計算模型

采用工程計算中較為通用的ANSYS軟件來完成機械臂的靜力學計算，其準確性取決于計算模型的前期處理、邊界條件的定義和材料屬性的設定。

考慮到Pro/E樣機模型與靜力學計算模型的要求有所區別：前者更注重模型與實際產品的一致性；后者則從軟件計算的角度出發，追求一定程度的合理簡化，以期得到更高效、更準確的求解。將機械臂的Pro/E模型進行滿足ANSYS要求的處理后，導出為可以被ANSYS軟件識別的*.igs文件格式，導入ANSYS后，再進行網格化處理并定義材料屬性，其主要受力材料均為Q345B（密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3）。

通過動力學分析得到的運動過程中各部件的受力數據，是靜力學計算的可施加載荷；各部件獨立計算時，需提取部件各連接點的受力；整體計算時，無需考慮部件之間的受力傳遞，僅考慮整體慣性力即可。而設備的靜力學計算需考慮各種運行工況而進行大量的計算，以下僅取其中一例用以介紹此設計方法。

通過動力學計算，得到LED屏在制動過程中的最大慣性加速度為0.9 ×9.8 m/s2，將該值作為強度計算的施加載荷。機械臂的整體計算模型見圖5，塔體兩端施加位移約束，LED屏施加慣性加速度0.9 ×9.8 m/s2。

3.2 計算結果

經過ANSYS求解器的計算，可得到機械臂整體模型的變形為58 mm，主要是近30 m的懸臂支撐末端的屏幕（自重8 t）產生的撓度，該變形量符合實際設計要求；機械臂的整體應力為57 MPa，出現最大應力點的位置是提升油缸耳座附近，該處有接近6倍的安全系數，可滿足設計安全性要求。變形圖與應力圖分別如圖6、圖7所示。

4 結束語

本文闡述了一種高效、優化的產品開發方法，并將其應用到機械臂的設計過程中。該方法可以使產品的設計者在虛擬環境中，直觀形象地對虛擬產品原型進行設計優化、性能測試和安全分析，這對啟迪設計創新、提高設計質量、減少設計錯誤、加快設計周期有重要意義。基于Pro/E、ADAMS和ANSYS平臺的聯合仿真技術也適用于其他特種大型復雜機械的研發與設計。

仿真模擬計算大大簡化了樣機試驗的過程，降低了費用、節省了時間。但是，任何應用軟件都有一定的應用條件，其中包括軟件本身的局限性以及設計者建模簡化程度的不同，故其計算結果大多與實際狀況有一定差別。設計者一定要在參考計算結果的基礎上，通過豐富的設計經驗來分析和判斷結果的可信度。必要時，還需進行一些局部的測試，不可盲目采信。endprint