基于SolidWorks Simulation 的取件機械手爪體結構仿真和優化設計

劉開舉，趙林棟，生 萍，包艷青，苑會清

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306；2.山東女子學院，山東濟南 250300；3.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東濟南 250399）

0 引言

近年來，種類繁多、形式多樣的機械手在眾多領域得到了空前的發展和普及[1]。同樣，在鑄造領域，隨著技術的發展和社會的進步，傳統的依靠人工搬運鑄件的方式已經不能滿足現代化的鑄造生產線高效率、高自動化、低勞動強度的要求，取件機械手則較好地緩解了這些矛盾，在一定范圍內解決了這些問題。手爪作為直接抓取鑄件的機械手部件，其結構的可靠性直接關系到機械手的使用效果，爪體的結構設計則成為機械手優劣的關鍵。本文選取豎直狀態下的手爪為研究對象，對爪體進行靜力學分析，并根據分析結果進行結構優化。

1 手爪的結構組成

手爪部件采用油缸驅動兩個爪體完成抓取鑄件的工作。包括爪體、基座、爪臂、油缸等部分，爪體與爪臂連接，爪臂與基座通過鉸接方式連接，油缸與爪臂分別通過鉸接方式相連。手爪的結構如圖1 所示。

圖1 手爪的結構

2 爪體有限元模型的建立

SolidWorks 公司成立于1993 年，1995 年推出第一套SolidWorks 三維機械設計軟件。SolidWorks軟件是基于Windows 開發的三維CAD 系統，使用了Windows OLE 技術、直觀式設計技術、先進的parasolid 內核以及良好的與第三方軟件的集成技術。SolidWorks 軟件功能強大，組件繁多，能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤，并且提高產品質量。在強大的設計功能和易學易用的操作協同下，使用SolidWorks 軟件，整個產品設計是百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間是全相關的。其易用、穩定和創新三大特色使設計師大大縮短了設計時間，產品快速、高效地投向了市場。

本文主要研究爪體的結構性能，采用Solid-Works 軟件對爪體進行三維建模。結合有限元分析的理論和軟件的分析步驟，對爪體的三維模型進行簡化處理，獲得準確的有限元模型，避免在仿真分析的過程中出現應力集中現象。主要方法包括細小部位簡化和局部處理等，將爪體不影響分析結果的邊角、圓角以及安全區域的細小構造修改掉。依據此思路，將爪體的三維模型進行簡化。簡化后的爪體三維模型如圖2所示。

圖2 簡化后的爪體三維模型

3 爪體結構的有限元分析

有限元法（FEM，Finite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值技術。求解時對整個問題區域進行分解，每個子區域都成為簡單的部分，這種簡單部分就稱作有限元。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[2]。

SolidWorks Simulation 是一個與 SolidWorks完全集成的設計分析系統。SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析。為了體現設計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到SolidWorks 的設計過程中。SolidWorks Simulation節省了搜索最佳設計所需的時間和精力，可大大縮短產品上市時間[3]。

3.1 單元的選擇和網格的劃分

根據SolidWorks Simulation 的軟件特點，其模塊中有5 種單元類型:一階實體四面體單元、二階實體四面體單元、一階三角形殼單元、二階三角形殼單元和橫梁單元[4]。由于本文所研究的爪體為實心體結構，故選用二階實體四面體單元。根據爪體的結構，同時兼顧運算的準確度和效率，選用粗細配合的高品質標準網格進行劃分，對重點部位采用小尺寸單元網格，非關鍵受力部位采用大尺寸單元網格進行網格劃分，中間通過自動過渡方式銜接。經過本步驟處理的爪體有限元模型的網格細節如圖3 所示，劃分的網格如圖4 所示。

圖3 爪體有限元模型的網格細節

圖4 爪體網格劃分模型

3.2 材料屬性

爪體為鑄件形式，材料選擇為QT900-2，力學性能好。材料的密度為ρ=7.3×103kg/m3，泊松比μ=0.27，彈性模量E=1.9×1011N/m2，屈服極限σs=6×108N/m2。該結構的重量為137kg。

3.3 載荷施加的原則和方法

選擇手爪張開時的狀態，此時爪體所受載荷最大，把集中力施加到爪體的端部，即與鑄件接觸的部位。由于靜態時爪體主要受到油缸驅動的外力作用，忽略偏載作用，爪體只受到X、Y 兩個方向的載荷。基于上述設定，對爪體施加外力，模擬真實受力狀態。根據手爪的實際結構計算，爪體端部與鑄件的接觸面受到朝向爪體本體的方向的力，力的大小約為16kN，如圖5 所示。

圖5 爪體受到的載荷示意圖

3.4 邊界條件

根據結構特點和安裝方式，可以近似地將爪體與爪臂看作是通過二者的連接板連接在一起，即對爪體的連接板安裝面通過固定的方式進行約束，限制了爪體安裝面的各方位動作。爪體收到的約束情況如圖6 所示。

圖6 爪體受到的約束情況

3.5 運行分析

通過上述步驟，依次完成了爪體的有限元建模、材料設定、加載、添加約束等工作，將對其進行仿真運算[5]。通過SolidWorks Simulation 的軟件的運行算例功能完成運算，仿真結果如下：

爪體的von Mises 應力分布云圖如圖7 所示。出現的最大von Mises 應力值為2.757×107Pa，最大von Mises 應力出現的部位是連接板與爪體主體的過渡部位，而爪體中間的實心部位的von Mises 應力最小。由于爪體材料QT900-2 的屈服極限為6×108Pa，可以得出2.757×107Pa＜6×108Pa，且遠遠小于屈服極限，即爪體的最大von Mises 應力值在QT900-2 的屈服極限范圍內，因此爪體的強度特性滿足要求。

圖7 爪體的von Mises 云圖

爪體的合位移分布云圖如圖8 所示。最大的合位移數值為0.3786mm，出現在爪體的端部，該位移相對于爪體的尺寸是非常微小的，因此該結構滿足要求。

圖8 爪體的合位移云圖

爪體的應變分布云圖如圖9 所示。最大的應變數值為1.005×10-4，出現在連接板與爪體主體的過渡部位，該應變是非常微小的。

圖9 爪體的應變云圖

爪體的安全系數分布云圖如圖10 所示。最小的安全系數數值為21.76，安全系數整體較大，說明該結構比較安全。

圖10 爪體的安全系數云圖

綜上所述，通過對爪體的von Mises 應力、合位移、應變、安全系數的仿真結果分析，本結構設計的比較安全，雖然局部出現了最大von Mises 應力，但相比于材料的屈服極限，是非常微小的。該結構的變形量也是非常微小的，安全系數相對較大。整體來看，該結構滿足設計要求。

4 爪體的結構優化

根據上一節的仿真結果分析來看，爪體的原結構設計較為可靠，安全系數較高，雖然能滿足設計要求，但也存在著一些問題，比如材料消耗較多導致成本增加，機構較為笨重導致自重偏大，中間部位受力很小無需過厚的材料。因此，提出以下優化建議：對爪體中間部位減薄設計，減輕重量，優化后的爪體重量為64kg。優化設計后的爪體結構三維模型如圖11 所示。

圖11 優化后的爪體三維模型

根據上節的仿真流程和步驟，在同等條件下，通過SolidWorks Simulation 軟件對優化后的爪體進行力學性能仿真分析，得出優化后的爪體的仿真結果如下。

爪體的von Mises 應力分布云圖如圖12 所示。出現的最大von Mises 應力值為4.71×107Pa，最大von Mises 應力出現的部位是連接板與爪體主體的過渡部位。由于爪體材料QT900-2 的屈服極限為6×108Pa，可以得出4.71×107Pa＜6×108Pa，遠遠小于屈服極限，即爪體的最大von Mises 應力值在QT900-2 的屈服極限范圍內，因此爪體的強度特性滿足要求。

圖12 優化后爪體的von Mises 云圖

爪體的合位移分布云圖如圖13 所示。最大的合位移數值為0.701mm，出現在爪體的端部，該位移相對于爪體的尺寸是非常微小的，因此該結構滿足要求。

圖13 優化后的爪體的合位移云圖

爪體的應變分布云圖如圖14 所示。最大的應變數值為1.701×10-4，出現在連接板與爪體主體的過渡部位，該應變是非常微小的。

圖14 優化后的爪體的應變云圖

爪體的安全系數分布云圖如圖15 所示。最小的安全系數數值為12.74，安全系數整體較大，說明該結構比較安全。

圖15 優化后的爪體的安全系數云圖

綜上所述，通過對優化后的爪體的von Mises應力、合位移、應變、安全系數的仿真結果分析，優化后的爪體結構設計比較安全，同樣雖然局部出現了最大von Mises 應力，但相比于材料的屈服極限，是非常微小的。該結構的變形量也是非常微小的，安全系數相對較大。整體來看，該結構滿足設計要求。

對比原始設計的爪體結構，重量由137kg 減小到64kg，減重比例達到53%，減重效果顯著，節約了成本，達到了優化設計的目的。

5 總結

通過SolidWorks Simulation 軟件對爪體的有限元分析，成功獲得了結構的力學性能，并發現了原始結構設計的不合理部位。根據仿真分析的結果，有針對性地提出了優化設計建議，通過再次對優化后的爪體結構的有限元分析，得出優化后的結構同樣滿足設計要求。不僅提高了設計的效率，縮短了研發周期，也極大地降低了成本，為物理樣機的試制提供了理論依據，為設計人員提供了直觀的設計方法。根據實際生產需要，還可以在爪體的端部安裝耐高溫和耐磨的夾持塊，即保護了鑄件，又可以實現定期更換來保護爪體長久使用的目的。