基于ADAMS與ANSYS Workbench的碼垛裝備運動特性仿真分析

許 哲，牟曉華，魏 鵬，高亞東

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

基于ADAMS與ANSYS Workbench的碼垛裝備運動特性仿真分析

許 哲，牟曉華，魏 鵬，高亞東

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

0 引言

隨著科技的進步及企業生產自動化水平的提高，碼垛機器人的應用越來越廣泛，在大型食品飲料、化工和煤礦等企業中，現代碼垛技術已經得到廣泛應用，大幅度提高了企業的生產效率并降低了勞動成本[1]。而在一些特殊的企業倉庫或廠房中，由于空間結構的特殊性，一般的碼垛裝備很難滿足作業要求，其中像翅片機生產線上仍然采用人工搬運翅片的方式，不僅費時費力，且極易造成工人受傷。因此需要設計一種全新的自動碼垛裝備來滿足翅片機生產線的特殊作業需求。根據翅片機生產線的具體碼垛要求，設計了新型的4自由度的直角坐標型碼垛裝備。

1 自動噴涂裝備的結構分析

圖1給出了碼垛裝備的總體設計方案。碼垛裝備主要由導軌框架、電機驅動系統和電磁吸附模塊組裝而成。機器人的驅動系統為4個伺服電機，伺服電機的控制精度較高，能夠實現對機器人的精確控制。碼垛裝備作業時，首先需要根據碼垛作業的區域通過安裝的導軌上的定位孔實現裝備的初次定位，并完成電磁吸附模塊在通電狀態下對目標物體的定位及抓取任務，然后碼垛裝備會根據用戶后期的特定指令完成碼垛作業。在碼垛裝備沿x軸導軌移動時，裝備會根據導軌上的定位孔實現實時定位，以確保裝備能精確躲避固定障礙物（如懸梁、機械懸臂等）。當將目標物送到指定位置時，電磁吸附裝置自動斷電，在磁性消失的情況下，物體自動脫落，完成對目標的碼垛作業。在裝備作業過程中，框架的變形程度對滿足作業精度要求方面有著重要影響，需要對其進行分析優化以滿足作業需求，且本文選取z2框架作為研究對象。

圖1 碼垛裝備總體視圖

2 碼垛裝備三維模型的建立與仿真分析

2.1 Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench的聯合仿真

對于Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench這三款軟件都有各自的優勢，如果能通過相互之間的通信接口進行文件信息傳輸，充分發揮各自優勢特點，必定會提高計算的準確性和精確度。因此，采用三個軟件聯合仿真的方法對碼垛裝備進行分析。

剛柔混合動力學分析流程如圖2所示。

圖2 剛柔混合動力學分析流程

2.2 碼垛裝備有限元模型建立

2.2.1 模型的建立與導入

在Pro/E中完成碼垛裝備部分結構的三維實體建模，為方便在ADAMS中進行動力學仿真，在不影響分析結果的基礎上，通過將裝配體轉化成單個零件的方法，把將要分析的部分裝置簡化為三部分：框架、導軌和滑塊（包括攜帶的電磁吸附裝置和翅片等），然后在通過Pro/E將其裝配起來，并將文件存為Parasolid格式，拓展名為*.X_T類型的文件，便于后期導入到ADAMS中做準備。還有值得注意的是單位的設置，要使Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench中被分析的模型單位同一，本次仿真分析中的單位同一設置成mm Ks單位制。

2.2.2 利用ANSYS Workbench創建柔性體文件

ANSYS Workbench是ANSYS公司開發的一個協同仿真環境的軟件平臺，相比于經典版的ANSYS操作界面，Workbench界面形式更加明顯，操作更加簡單。針對于輸出模態中性文件（*.MNF），使用Workbench操作更加方便、快捷且容易理解其操作意義。

1）導入模型。為保證MNF文件的正常導出，建議在導入Workbench模型之前，先通過Pro/E將需要柔性化處理的零件轉化為*.sat格式，如果已經建立了Pro/E與ANSYS Workbench的連接，則可以在完成Pro/E中的操作后直接通過其菜單欄里的ANSYS選項將零件導入。另外要盡量保持零件的簡潔性，不要帶有太多縫隙或多余棱角等影響網格劃分的因素。圖3為待分析處理的z2框架，最好此時在后期可能需要建立剛性連接的地方建立印記面。

圖3 待分析處理的z2框架

2）設置材料屬性。通過Engineering Data選項來設置零件的各種材料屬性。由于零件采用的是Q235號鋼制造，在選定好鋼類型后，定義其密度，ρ=7.85×103kg/m3泊松比μ=0.3，彈性模量E=2×1011Pa。

3）Model模塊的處理。重點是網格的劃分和APDL程序的導入與編輯。Workbench中的網格劃分相比較于ANSYS經典更加方便、快捷。如圖4所示，可以看出對于需要建立剛性聯接的區域可以方便的設置其網格的疏密，且不需要通過手動對接觸面上的節點進行剛性聯接。只需在加載求解模塊嵌入APDL程序，然后將需建立剛性區域的面的質心坐標編輯到程序里，在ADAMS中所需要的剛性區域連接mark點就會隨著MNF文件的導入而自動產生。

圖4 界面點位置與剛性連接區域

4）生成MNF文件。在完成APDL程序的導入、編輯后，先將完成的ANSYS Workbench工作保存一下，然后點一下工具欄里的Solve選項，計算完成之后，在之前保存的文件夾里就會有生成的MNF文件。

2.2.3 有限元模型的仿真分析及優化

將上一步生成的*.x_t文件導入到啟動后的ADAMS中，重力大小設置為9806.6，方向為Y負向。利用Build/Flexible Bodies/Rigid to Flex導入之前產生的MNF模態中性文件，通過選取三點便可準確替換。剛柔替換后添加約束關系、驅動等，圖5為建立的各構件與柔性體之間的約束關系。

圖5 ADAMS各構件位置與約束關系

按要求末端電磁吸附裝置的速度不能低于750mm/s，故將速度設置為800mm/s進行剛-柔體動力學仿真，得到如圖6所示碼垛裝備中電磁吸附裝置末端mark點Z向的位移。圖中顯示的Z向最大位移為4.16mm，而規定的定位精度不能大于1mm，故該框架零件是不合適的。通過對仿真過程中z2框架變形的觀察，需對z2框架內部的兩個肋板進行加厚，故將肋板厚度從7mm變成了10mm。將優化好的結構重新柔性化處理進行動力學仿真后，重新得出了電磁吸附裝置末端Z向mark2點的位移，如圖7所示。從圖中可以看出Z向最大位移為0.43mm＜1mm，符合噴涂要求。

圖6 ADAMS中電磁吸附裝置末端Z向mark點的位移

圖7 ADAMS中電磁吸附裝置末端Z向mark2點的位移

選取柔性體上形變量最大的一個頂點作為mark點來測量其mag向位移，如圖8所示，其最大位移量為0.3mm。最后選擇File/Export/FEALoads，導出柔性體邊界載荷信息，即*.lod載荷文件。在輸出載荷文件時要選取合適的時間點，盡量是柔性體受到最大載荷是的時間點。

圖8 ADAMS中柔性體頂端mark點的mag向位移

2.3 ANSYS Workbench有限元分析

啟動ANSYS Workbench，打開之前保存的文件。進入model模塊，對已經劃分好網格的z2框架添加一定的約束，然后將*.lod載荷文件導入到之前編輯APDL程序的界面，最后點擊求解即可。

查看有限元分析結果。

圖9 變形云圖

圖9可以得出z2框架在ANSYS Workbench中變形為0.0577mm～0.5190mm與ADAMS中所測量的mark點的位移0.30mm結果幾乎一樣，因此可以認為ADAMS與ANSYS Workbench聯合分析的結果是可靠的。

圖10 應力云圖

由圖1 0可以看出z 2框架所受最大應力為59.996MPa，且鋼的厚度≤10mm，遠小于Q235號鋼的屈服極限235MPa，符合應力要求，由此可以綜合斷定該框架是合適的。

3 結論

通過Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench的聯合仿真實現了軟件之間的優勢互補，更加貼近現實的實現了結構動力學仿真，通過分析結果中的位移、變形、應力等，既可以避免了在建立數學模型基礎上復雜的運算過程，同時在不同軟件產生的數據相對比的基礎之上，使得分析結果更具有說服力。綜合分析結果來講，被分析的框架結構能夠滿足安全的作業需求，同時也具備了通過計算機產生的精確的數據，從而為后續的其他方面的工作提供了依據。

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Simulation and analysis of motion characteristics of palletizing equipment based on ADAMS and ANSYS Workbench

XU Zhe, MOU Xiao-hua, WEI Peng, GAO Ya-dong

在對傳統的碼垛裝備工作特性的研究及市場的需求基礎之上，設計出了一種針對翅片機生產線特定工作環境的作業靈活、操作簡單且精度高的新型直角坐標型自動碼垛裝備。由于裝備采用的是直角坐標型，為確保裝備能滿足高精的作業要求，需對易出現變形的軌道支撐框架進行受力分析。仿真過程利用Pro/E、ADAMS與ANSYS Workbench在自身領域的優勢共同完成對框架的運動受力分析，同時對ADAMS與ANSYS Workbench的仿真結果進行比較，得出精確的運動特性仿真結果，最終判斷是否進行結構優化。

碼垛裝備；框架；ADAMS；ANSYS Workbench

許哲（1970 -），男，副教授，博士，研究方向為預測控制理論與應用。

TH122；TH164

A

1009-0134(2015)12(上)-0005-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.02

2015-07-20

上海市“聯盟計劃”基金項目（D-8005-14-0115）