基于虛擬樣機的工業(yè)機器人末端液壓夾持器的設(shè)計

沙鑫美+范真

摘 要：在中國制造2025的大背景下，中國工業(yè)機器人或?qū)⒂瓉砭畤娛桨l(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足市場快速變化的需求。為了適應(yīng)這一新的需求，該文從用虛擬樣機技術(shù)的角度出發(fā)，利用SolidWorks軟件對工業(yè)機器人末端液壓夾持器進行設(shè)計研究。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人 虛擬樣機 SolidWorks

中圖分類號：TP241.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0001-02

目前，在我國人口紅利減弱的背景下，工業(yè)機器人的應(yīng)用將日益廣泛。尤其是“十三五”期間以及更長時間內(nèi)，我國將大力實施中國制造2025發(fā)展戰(zhàn)略，重在發(fā)展高端裝備制造，實施綠色制造、智能制造等科技產(chǎn)業(yè)化工程，其中研發(fā)智能化、模塊化的機器人單元產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)，對于適應(yīng)制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，提升我國制造業(yè)的國際競爭力意義重大。隨著市場競爭的日益激烈，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人設(shè)計方法需要經(jīng)過圖紙設(shè)計、樣機制造、性能測試等繁雜過程，存在研發(fā)周期長、成本高、轉(zhuǎn)型慢等問題。

該文從虛擬樣機的角度出發(fā)，利用三維設(shè)計軟件SolidWorks對工業(yè)機器人末端液壓夾持器的設(shè)計過程進行了系統(tǒng)性探索，建立了工業(yè)機器人末端液壓夾持器的虛擬樣機模型，并在此基礎(chǔ)上對其進行運動仿真及受力分析，提出了一種高效的基于虛擬樣機技術(shù)的工業(yè)機器人末端液壓夾持器快速設(shè)計方法。

1 虛擬樣機模型的建立

1.1 總體設(shè)計方案的確定

根據(jù)實際要求制定總體設(shè)計方案，確定夾持器主要設(shè)計參數(shù)如下：夾持工件大小（直徑φ50mm）；夾持工件重量（8 kg）；手臂伸縮行程（300 mm）；伸縮速度（120～200 mm/s）；手指回轉(zhuǎn)范圍（0°～11°）。夾持器的總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

夾持器為一倒置的搖桿滑塊結(jié)構(gòu)，其工作原理為：當驅(qū)動器推動中心桿向右運動（滑塊上A點向右運動）時，搖桿BC順時針轉(zhuǎn)動，迫使與支架相連接的手指CD向下，產(chǎn)生加緊動作和夾持力；當中心桿向左移動式（滑塊上A點向左運動）時，搖桿BC逆時針轉(zhuǎn)動，手指CD向上，實現(xiàn)松開工件。

1.2 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)化建模

為滿足設(shè)計要求，需分別對夾持器的手指部分、手腕部分以及手臂部分進行受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核，并利用SolidWorks軟件進行實體建模，各零件模型如圖2所示。

1.3 夾持器的虛擬裝配

打開新建裝配體命令，在進入生成裝配體的界面后，點擊“插入零部件”命令，插入各零件，如圖3所示。裝配時，先運用“移動零部件”“旋轉(zhuǎn)零部件”命令將零件拖動至便于配合的合適位置，再根據(jù)實際情況在各零件間添加“重合”“平行”“垂直”“距離”“同軸心”等配合約束裝配起來。裝配時應(yīng)該注意對于有相對運動的零件裝配關(guān)系，應(yīng)保留其獨立運動以構(gòu)成連接，并消除裝配干涉。裝配成的虛擬樣機如圖4所示。

2 運動學(xué)仿真

COSMOSMotion插件是集成在Solidworks中的運動分析和仿真模塊，可對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行運動學(xué)仿真和動態(tài)靜力學(xué)分析，操作簡單，容易掌握。將夾持器虛擬樣機轉(zhuǎn)入COSMOSMotion時，裝配約束將自動轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束，添加必要的驅(qū)動力、工作阻力，建立仿真模型就可以模擬夾持器運行狀況，并對其進行運動分析。夾持器的運動分為由液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)的主軸水平平移、由液壓擺動缸驅(qū)動實現(xiàn)的主軸旋轉(zhuǎn)以及由主軸水平平移帶動的夾持臂旋轉(zhuǎn)運動。仿真過程如圖5所示。

3 夾持器受力分析

目前受力分析的有限元軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MSC等，考慮到夾持器結(jié)構(gòu)較為簡單，為避免不同軟件三維模型轉(zhuǎn)換帶來的困難，該設(shè)計采用了SolidWorks專有的有限元分析模塊SolidWorks Simulation，該模塊使用有限元的位移公式在內(nèi)部和外部載荷下計算零件的位移、變形和應(yīng)力，計算后使用直接稀疏求解器或者是迭代求解器對其進行解算。

3.1 夾持器網(wǎng)格劃分

將夾持器樣機模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation模塊后，利用Shell Manager工具對夾持器進行網(wǎng)格的劃分。夾持器網(wǎng)格分布如圖6所示。

3.2 夾持器約束施加

夾持器主軸末端主要是受軸承的徑向約束和軸端的軸向約束，夾持器設(shè)計的手指類型是V形的，在這個部位受到的夾緊力是由所夾工件的重力而產(chǎn)生的。施加在夾持器上的約束見圖7所示。

3.3 有限元分析結(jié)果

（1）夾持器的變形分析。

夾持器受力應(yīng)變圖如圖8所示，夾持器變形最大處為抓頭部分，最大的變形量是0.463 mm，變形量較小，因此不會對夾持器的工作性能產(chǎn)生影響。

（2）夾持器的應(yīng)力分析。

夾持器所受應(yīng)力圖如圖9所示，最大的應(yīng)力值是221 MPa，產(chǎn)生于拉塊處，但該應(yīng)力值并未超過夾持器所選材料45號鋼的屈服強度。

4 結(jié)語

該文利用SolidWorks軟件建立了工業(yè)機器人末端液壓夾持器的虛擬樣機模型，并對其進行了運動仿真及受力分析，提出了一種以虛擬樣機技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)機器人末端液壓夾持器設(shè)計方法，不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計效率也得到了提高。

參考文獻

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