基于仿真技術(shù)的機械臂設(shè)計應(yīng)用研究

袁海林，陳 鈞

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京）

引言

在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，機械設(shè)計制造對于一個國家的經(jīng)濟、國防以及社會運行都有著極大的意義，包括各類機電產(chǎn)品的開發(fā)以及輕工業(yè)、重工業(yè)的持續(xù)運行，都離不開良好的機械設(shè)計。而在計算機技術(shù)和信息化技術(shù)日益普及的當(dāng)下，機械設(shè)計與制造中各種可能出現(xiàn)的問題在如今有了更好的解決方法[1]。仿真技術(shù)作為一種虛擬樣機技術(shù)，可以在傳統(tǒng)機械設(shè)計的基礎(chǔ)上加入更多大數(shù)據(jù)分析方面的內(nèi)容，通過解決大量的模擬、復(fù)算、統(tǒng)計在機械設(shè)計之中遇到的問題，就可以在設(shè)計中加入更多的設(shè)計元素，建立模型、改進模型。所以我們認為，基于仿真技術(shù)的機械設(shè)計應(yīng)當(dāng)是未來趨勢。而機械臂作為一種應(yīng)用較為廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，在各類輕、重工業(yè)中也發(fā)揮著較大作用，如何通過最新的計算機技術(shù)、信息技術(shù)改良機械臂的設(shè)計，也是研究人員需要著重考慮的問題之一[2]。

1 當(dāng)前仿真技術(shù)的描述

作為一種虛擬系統(tǒng)對運行原理和控制技術(shù)等深入解讀，再通過計算機設(shè)備或者專用儀器進行相關(guān)實驗，能夠充分了解運行動態(tài)成本的技術(shù)，仿真技術(shù)在如今的工業(yè)領(lǐng)域特別是機械設(shè)計領(lǐng)域有著較大的作用。在機械設(shè)計領(lǐng)域中，運用仿真技術(shù)可以更好的提升機械設(shè)計的精度以及所生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量。通過技術(shù)的不斷革新，目前通過仿真技術(shù)進行機械設(shè)計已經(jīng)成為主流，不僅可以模擬出產(chǎn)品構(gòu)型，還可以對產(chǎn)品的用途進行模擬，因為大數(shù)據(jù)的加入，現(xiàn)如今仿真技術(shù)已經(jīng)有了更多的集成化特征，各類要素的完備讓機械設(shè)計不再僅僅依靠于經(jīng)驗，在系統(tǒng)中的大量模擬使用對于產(chǎn)品高質(zhì)量的搭建具有較為重大的意義。

2 不同工業(yè)機械臂的分類

作為一種工業(yè)化的擬人機器，機械臂在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，一般而言機械臂主要有手臂、手腕、手三個構(gòu)件組成，不同生產(chǎn)任務(wù)導(dǎo)致機械臂的復(fù)雜程度不同，一般可以分為如下的幾種[3-8]。

2.1 直角坐標型機械臂

直角坐標型機械臂如圖1 所示，一般而言，直角型機械臂擁有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等特性，在機械抓手上裝有不同的裝置可以幫助機械臂完成諸如搬運、裝車、包裝、焊接等基礎(chǔ)卻較為精密的工作。其驅(qū)動方式一般也較為簡單，一般是通過絲桿驅(qū)動、齒輪同步帶驅(qū)動和直線電機驅(qū)動等。

圖1 直角坐標型機械臂實物

2.2 圓柱坐標型機械臂

作為一種較為復(fù)雜的機械臂結(jié)構(gòu)，一般是由多個旋轉(zhuǎn)運動和多個直線運動的結(jié)構(gòu)組成。機械臂的自由度決定了整個結(jié)構(gòu)裝置的靈活度，也影響著機械裝置完成不同任務(wù)的多樣性。圖2 是一個圓柱坐標型機械臂的3D 模型，在完成復(fù)雜程度較高的作業(yè)中通常也會讓機械臂代替人工作業(yè)以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，圓柱型機械臂驅(qū)動方式與直角坐標型機械臂雷同。

圖2 圓柱型機械臂3D 模型

2.3 關(guān)節(jié)型機械臂

關(guān)節(jié)型機械臂是現(xiàn)今復(fù)雜度最高、應(yīng)用最為廣泛的一種機械臂，因其結(jié)構(gòu)與人類關(guān)節(jié)高度相似而得名，一般具備4 到6 個自由度。圖3 是一種典型的6個自由度的機械臂，6 個關(guān)節(jié)全部為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其設(shè)計思路也讓該機械臂的小臂與大臂可以達到完全伸展，隨著控制算法的不斷提升，該機械臂可以完成精密芯片的點焊、工業(yè)設(shè)備裝配等一系列具有較高難度的工作。那么機械臂的設(shè)計在發(fā)展過程當(dāng)中該如何與計算機技術(shù)相結(jié)合呢？ 下文將以掘進式機械臂為例，基于仿真技術(shù)對機械臂的設(shè)計予以介紹。

圖3 關(guān)節(jié)型機械臂實物

3 基于仿真技術(shù)的掘進型機械臂設(shè)計

3.1 掘進型機械臂的結(jié)構(gòu)組成

掘進式機械臂是一種較為復(fù)雜的設(shè)備，其由擺動油缸、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、動臂、動臂油缸、中間臂、中間臂油缸、小臂、小臂油缸、挖斗油缸、挖斗左右連桿、挖斗推桿、快換裝置和鏟斗/破碎錘/挖斗等結(jié)構(gòu)組成。通過三節(jié)機械臂在各個油缸支持下協(xié)調(diào)伸展轉(zhuǎn)動，可以幫助掘進式機械臂在較為窄小的空間內(nèi)進行多角度、多方位地破碎、修復(fù)、開槽、平整等掘進作業(yè)[9-13]。

3.2 掘進型機械臂的結(jié)構(gòu)特點

3.2.1 機械臂具有較好的折展性

機械臂一般采用3 節(jié)臂結(jié)構(gòu)，通過較好的臂長配比使其具有良好的折展比，在小空間內(nèi)作業(yè)也可以極大的保證工作效率，讓各個臂關(guān)節(jié)能夠更加靈活地收縮、伸展[14]。

3.2.2 機械臂功能更加完備

為適應(yīng)現(xiàn)場工作需要，將機械臂小臂前端設(shè)置為快換裝置，結(jié)合任務(wù)需求快速更換挖斗、鏟斗、破碎錘等部件，降低人工參與度，可以大幅減少成本與勞動支出。

3.2.3 機械臂結(jié)構(gòu)更加合理

由于工作環(huán)境較為特殊，機械臂需要具有較好的收縮性能，通過機械臂的折疊改變設(shè)備重心，達到收縮后整機尺寸減小的的同時保留掘進的穩(wěn)定性。

3.2.4 機械臂具有良好的形態(tài)改變能力

機械臂良好的收縮性能決定了可以根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)節(jié)動用機械臂節(jié)數(shù)，進行小范圍的調(diào)整姿態(tài)，改變工作環(huán)境，以提升機械臂的使用效率[15]。

3.3 掘進型機械臂的靜力學(xué)分析

通過三維建模軟件輔助設(shè)計，可以建立掘進式機械臂的模型。依據(jù)前人資料，通過對模型的材料進行重新定義，設(shè)定機械臂整體強度及承載能力屈服極限為750 MPa。通過對材料彈性模量設(shè)定為187 000 MPa、密度為8.01 t/m3、泊松比為0.35，機械臂整體質(zhì)量為1 600 kg。對機械臂模型進行網(wǎng)格劃分，采用手動精細的網(wǎng)格劃分方法來增加網(wǎng)格劃分質(zhì)量，從而提高求解結(jié)果的精度。設(shè)置單元尺寸為0.2 cm，網(wǎng)格單元數(shù)共計110 000，節(jié)點數(shù)共計50 000。

在設(shè)定的基礎(chǔ)上對機械臂的有限元模型施加約束并逐步添加載荷。為保證機械臂的可靠性，模擬其在挖掘時極限工況下的應(yīng)力分布及變形情況。分別在動臂、動臂油缸與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置鉸接處添加約束，對挖斗頂端施加20 000 牛的阻力，有限元分析前處理完成后得到機械臂的應(yīng)力、總變形分析云圖，如圖4、圖5 所示，最大總變形為6.32 mm，最大應(yīng)力為14.77 MPa，此應(yīng)力變化低于設(shè)計極限值。因此認為結(jié)構(gòu)強度符合機械臂的使用要求，不會出現(xiàn)在應(yīng)力作用下被破壞的情況。

圖4 應(yīng)力分析云圖（來源前人資料）

圖5 總變形分析云圖（來源前人資料）

3.4 掘進型機械臂的模態(tài)分析

掘進型機械臂采用較為標準的懸臂梁結(jié)構(gòu)，自身體積大、跨度大，自振對其影響大，為提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需對其進行模態(tài)分析，判斷其薄弱位置，改變并優(yōu)化設(shè)計尺寸，完善結(jié)構(gòu)，做出機械臂前三階模態(tài)分析的振形云圖。機械臂的固有頻率為12～90 Hz。一階振形沿Z 軸方向彎曲，振形最大變形量發(fā)生在鏟斗處；二階、三階振形均沿Y 軸方向彎曲，振形最大變形量發(fā)生在小臂油缸聯(lián)接耳處。

4 結(jié)論

通過以上機械臂，特別是掘進型機械臂與仿真技術(shù)的結(jié)合，我們認識到仿真技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的巨大作用。伴隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展與進步，仿真技術(shù)其獨有的模擬程度高、問題整改迅速、試驗成本低等特點在各行各業(yè)也都得到了廣泛應(yīng)用。對于掘進型機械臂而言，基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與仿真技術(shù)的模擬，通過二維、三維軟件成圖將更有利于縮短我國機械設(shè)計制造周期、提升我國機械產(chǎn)品的質(zhì)量，并且將繼續(xù)推動未來機械設(shè)計領(lǐng)域的健康發(fā)展。