基于Solidworks 的工業機器人工裝夾具仿真系統研究

毛麗鳳，楊 昆，林君濠

（廣東職業技術學院，廣東 佛山 528000）

引言

工業機器人誕生于20 世紀50 年代，是一種通過編程或示教實現自動運行，具有多關節或多自由度，并且具有一定感知功能，如視覺、力覺、位移檢測等，從而實現對環境和工作對象自主判斷和決策，能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環境下體力勞動的自動化機器。工業機器人不僅將工人從繁重有害的體力勞動中解放出來，還能提高生產效率和產品質量，增強企業競爭力[1]。

Solidworks 軟件是世界上第一個基于Windows 開發的三維CAD 系統，功能強大、組件繁多，由于技術創新符合CAD 技術的發展潮流和趨勢，使得Solidworks 成為領先的、主流的三維CAD 解決方案，特別在工業機器人工裝設計中，其強大的三維建模、模擬裝配、運動仿真、應力分析等功能，對后續開展深入研究具有極大的參考意義。

本研究以手機上下料工作站工裝夾具設計為例，對其模型、裝配、運動、應力等仿真系統進行研究。

1 仿真系統模型建立

工業機器人工裝夾具仿真系統選用工業機器人ABB IRB120，設計一種可以實現搬運和吸取產品的復合型夾具，搬運產品選為手機外殼，吸附產品為手機電池。三維模型系統包括機器人本體、法蘭盤、連接桿、汽缸、手指等，利用Solidworks 軟件中的零件建模模塊，可以輕松建模手機上下料工作站工裝夾具仿真系統的各個零件，其中工裝夾具中用于搬運的末端執行器手指零件圖見圖1[2]。

該零件需要先繪制直線、圓、圓弧等二維草圖，再通過拉伸、拉伸切除、異型孔向導等三維建模命令最終完成零件模型。在繪制時，要充分考慮與汽缸的配合關系、手機的尺寸（包括考慮搬運時手機側面按鍵不被擠壓），以及手機外殼上下料時汽缸和手指的伸縮活動范圍，綜合考慮各方面因素，不斷構思外觀和修改零件參數，最終才能設計出合理的手指三維零件模型。

按照上述繪制零件的方式，依次繪制出連接桿、夾具、上下料工作臺等零件，最后運用Solidworks 軟件中的模擬裝配模塊，與工業機器人本體、汽缸等模型實現零部件虛擬裝配。本次采用自下而上的裝配體設計方式，運用此方法完成的工業機器人工裝夾具仿真系統模型見圖2。

通過三維模型的建立，可以直觀的將零件的參數可視化，同時為工業機器人工裝夾具仿真系統的整體設計和評估提供極大便利。

2 模型運動仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Motion 模塊對零部件進行運動仿真分析，本次以夾具手指夾持手機往復運動過程為例，分析系統模型設計方案的合理性。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項卡，選擇【SOLIDWORKS Motion】，進入到運動仿真設置界面。單擊【馬達】按鈕，設置【馬達】屬性管理器見圖3：馬達類型選擇線性馬達，零部件/方向選擇手指內側面，具體見圖4，運動形式選擇數據點，手指作往復擺動。

點擊【編輯】按鈕，對數據點具體參數進行設置見圖5：選擇位移- 時間參數，插值類型選擇線性，經計算手指的擺動長度為10 mm，可得馬達位移、速度運動路線圖[3]。

利用Motion 插件對建立好的三維模型進行運動仿真，可以直觀地顯示夾持手機的往復運動過程，通過仿真分析結果驗證了設計方案的可行性，擺脫缺少實物的限制從而減少資金成本；也可以把運動過程保存成動畫形式方便觀看，可為工業機器人工裝夾具仿真系統裝配工藝提供指導方案，便于進一步設計出最為優化的系統模型。

3 模型靜應力仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Simulation 模塊對零部件進行靜應力計算，本次以夾具手指零部件為例，分析系統正常運行時手指的靜強度和可靠性是否滿足設計與工作要求[4]。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項卡，選擇【SOLIDWORKS Simulation】，單擊【新算例】，選擇【靜應力分析】。具體參數設置分為以下幾個步驟[5]：

（1） 應用材料：選擇AISI 1045 鋼。

（2） 夾具顧問：選擇固定幾何體，固定其中的一個面，見圖6。

（3） 外部載荷顧問：選擇力，選擇法向力的面，輸入力的大小為100 N，見圖7。

（4） 最后點擊運行此算例得到如圖8 所示的靜應力分析結果。

通過靜應力分析結果可得，與汽缸連接部位受應力影響較小，手指部位受力不均勻，根部所受應力明顯大于端部，其中根部轉折處所受應力最大，是夾具手指受力的薄弱環節。對此，可以對零部件進行結構優化設計，考慮在兩端根部轉折處添加半徑為10 mm 的圓角，再將此優化設計運用Simulation 插件，重復上述仿真步驟，優化后應力仿真結果見圖9，此時應力分布均勻，證實此優化設計可行。

通過使用 SolidWorks 軟件的靜應力分析功能，可以查找出各個零件的應力分布情況，發現零件中結構強度薄弱環節，進一步采用改進零件結構方式達到提高零件強度的作用，最終提升工業機器人工裝夾具仿真系統的綜合性能，為后續開展動力學分析和優化設計奠定理論基礎。

4 結論

本研究運用Solidworks 軟件的零件建模、模擬裝配、Motion 插件、Simulation插件等模塊，依次對手機上下料工作站工業機器人工裝夾具仿真系統進行模型建立、運動仿真分析、靜應力分析等，確保系統設計的合理性和可行性，大大提升了系統的綜合性能，也為后續繼續開展系統研究奠定堅實的理論基礎。