王淑旺， 魯恒飛， 顧立才

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

目前隨著全球機(jī)械和自動化設(shè)備的市場競爭加劇，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期已成為競爭的重要手段之一，同時也是制造商們把握先機(jī)求得優(yōu)勢的重要保障。虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)用計算機(jī)模擬整個產(chǎn)品的開發(fā)過程，在計算機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、分析、加工等過程，這樣不僅省去了制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)、修改等環(huán)節(jié)，同時也大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，而且為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新建立了基礎(chǔ)模型。

本文針對安徽巨一自動化裝備有限公司與天津大學(xué)合作開發(fā)的863項(xiàng)目中的并聯(lián)涂膠機(jī)構(gòu)，運(yùn)用Solidworks以及集成于其中的仿真插件Cosmosmotion實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)設(shè)計及運(yùn)動仿真，對設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化［1－3］。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析需求

本文所研究的并聯(lián)涂膠機(jī)械手機(jī)構(gòu)，是基于天津大學(xué)研發(fā)的并聯(lián)式五坐標(biāo)機(jī)器人而開發(fā)的。并聯(lián)式五坐標(biāo)機(jī)器人是一個由靜平臺、中桿、推桿和動平臺等組成的復(fù)合式五坐標(biāo)裝置，可實(shí)現(xiàn)終端的上下移動、擺動以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。并聯(lián)涂膠機(jī)械手機(jī)構(gòu)還包括夾爪，它是執(zhí)行的終端，它的3個定位夾緊的動臂由氣缸帶動，可沿孔腔移動和繞軸線轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)夾取工件的目的。

整個機(jī)構(gòu)的動作過程是通過一個由轉(zhuǎn)軸和軸承聯(lián)接、在機(jī)器人執(zhí)行末端的機(jī)械手組件來實(shí)現(xiàn)定位、抓取并夾緊工件，經(jīng)過一系列運(yùn)動的合成來實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)和涂膠，涂膠完成后再將工件準(zhǔn)確放回到線體托盤上。

五坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)器人、工件（變速箱殼體）和夾爪的模型如圖1、圖2所示。

圖1 五坐標(biāo)機(jī)器人

圖2 變速箱殼體和夾爪模型

由于并聯(lián)涂膠機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中并不能很方便地測量一些關(guān)鍵部位所受到的力和力矩，往往只有使用一段時間后才能知道方案的好壞，因此，在虛擬樣機(jī)上模擬涂膠機(jī)構(gòu)的運(yùn)動及受力是必要的。

2 仿真方案與流程

2.1 仿真方案設(shè)計

先在Solidworks上建立包含并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)、線體、工件和涂膠設(shè)備的總裝配體，再利用Cosmosmotion上的各種命令來設(shè)定初始條件，運(yùn)行仿真。

由于整個涂膠機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)一個翻轉(zhuǎn)、定位、夾緊工件到翻轉(zhuǎn)、涂膠和送回的復(fù)雜運(yùn)動過程，在Cosmotion平臺下定義相關(guān)零件作相應(yīng)的平動和轉(zhuǎn)動（motion里面是線性馬達(dá)和扭轉(zhuǎn)馬達(dá)）：五坐標(biāo)機(jī)器人的3個推桿分別按樣條線運(yùn)動；執(zhí)行末端與機(jī)械手聯(lián)接的轉(zhuǎn)頭設(shè)定特定的轉(zhuǎn)動；機(jī)械手上的夾爪設(shè)定伸縮和旋轉(zhuǎn)來模擬夾緊和松開工件［4－5］。

2.2 仿真流程

按照設(shè)計要求建立仿真流程，如圖3所示。

圖3 仿真流程圖

3 仿真分析

3.1 設(shè)定運(yùn)動、靜止零部件

靜止零部件有靜平臺、實(shí)驗(yàn)線體和涂膠設(shè)備，其余均為運(yùn)動零部件。

3.2 約束參數(shù)的給定

推桿1、2、3和中桿都由樣條線給定運(yùn)動，轉(zhuǎn)頭以及3個夾爪的伸縮和旋轉(zhuǎn)均由表達(dá)式中的STEP函數(shù)約束。

3.2.1 動作設(shè)定

（1）0～2s，轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)180°，同時中桿帶動夾具往下平動，使夾爪慢慢接近變殼。

（2）5～6s，3個夾爪頭往外伸出。

（3）6～7s，夾爪旋轉(zhuǎn)一定角度，以使夾爪頭對準(zhǔn)變殼的3個定位孔。

（4）7～8s，夾爪向內(nèi)縮進(jìn)，從而達(dá)到夾緊變殼的目的。

（5）8～12s，中桿帶動夾具往上平動，同時10～12s轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180°，使變殼到達(dá)涂膠預(yù)定位置。

（6）13～42s，通過推桿和夾具轉(zhuǎn)動副的綜合運(yùn)動使變殼按預(yù)定軌跡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)涂膠過程。

（7）43～55s，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動180°，中桿往下平動，松開夾爪，將變殼放到線體上。

3.2.2 STEP函數(shù)

（1）轉(zhuǎn)頭。STEP（TIME，0，0D，2，－180D）＋STEP（TIME，10，0D，12，180D）＋STEP（TIME，43，0D，45，－180D）。

0～2s，轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)180°，10～12s轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180°，43～55s，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動180°。

（2）夾爪伸縮。STEP（TIME，5，0，6，30）＋STEP（TIME，7，0，8，－27）＋STEP（TIME，48，0，48.4，30）＋STEP（TIME，51，0，52，－33）。

5～6s，3個夾爪頭往外伸出，7～8s，夾爪向內(nèi)縮進(jìn)，從而達(dá)到夾緊變殼的目的。

（3）夾 爪 擺 動。STEP（TIME，6，0D，7，－180D）＋STEP（TIME，49，0，50，180D）。

6～7s，夾爪旋轉(zhuǎn)一定角度，以使夾爪頭對準(zhǔn)變殼的3個定位孔。

3.2.3 添加碰撞

分別添加3個夾爪動臂和變殼之間的3D碰撞，以及變殼和夾具主體的3D碰撞。

3.2.4 添加阻尼

分別添加3個夾爪動臂和夾具主體之間的線性阻尼。

3.3 設(shè)置運(yùn)動仿真參數(shù)

設(shè)定涂膠設(shè)備仿真的持續(xù)時間為55s，幀為550，其余為默認(rèn)配置。

3.4 運(yùn)行仿真

將結(jié)果輸出為AVI動畫，虛擬樣機(jī)仿真各個階段示意圖，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)涂膠機(jī)構(gòu)仿真示意

3.5 后處理

（1）軌跡跟蹤。右鍵單擊結(jié)果選項(xiàng)里的跟蹤路徑，選擇生成軌跡跟蹤，彈出編輯跟蹤路徑對話框，然后拾取工件變速箱殼體的上表面，顯示工件的運(yùn)動軌跡。

（2）在結(jié)果中生成圖表，生成變殼的質(zhì)心位置圖、速度圖和加速度圖、夾爪反作用力圖等，如圖5、圖6所示。

圖5 變速器殼體質(zhì)心位置

（3）運(yùn)動參數(shù)顯示。右擊“結(jié)果”／“加速度”，選擇“生成加速度”命令，選擇夾具上的關(guān)鍵點(diǎn)，得到夾具運(yùn)動到該瞬時的時候，該點(diǎn)的加速度矢量箭頭，描述加速度的大小和方向。右擊Acceleration，選擇“輸出CSV”命令，得到該點(diǎn)的各個時間的瞬時加速度的幅值和方向。

圖6 夾爪反作用力

（4）結(jié)果分析。由圖6可知，在夾具夾緊變殼后轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動180°和在涂膠運(yùn)動過程中，夾爪受力較大，峰值達(dá)到2 500N（因?yàn)樘摂M樣機(jī)中機(jī)構(gòu)假定為剛體，故仿真結(jié)果要高于實(shí)際數(shù)值），因此在涂膠過程中氣缸上的夾緊力必須保證不低于最大值乘上安全系數(shù)。

4 優(yōu)化設(shè)計

鑒于結(jié)果中工件在被夾緊和松開的時間段附近質(zhì)心位置變化較大，且反作用力峰值出現(xiàn)得非常陡，這與實(shí)際情形不相符，故通過對模型優(yōu)化和對仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并觀看仿真動作和結(jié)果表格，得出一組比較好的仿真參數(shù)［6－8］。

夾爪上轉(zhuǎn)動定位銷直徑與變殼定位孔直徑差值從2mm減小到1mm，夾緊。伸縮長度由30增加到32，STEP函數(shù)為STEP（TIME，5，0，6，32）＋STEP（TIME，7，0，8，－29）＋STEP（TIME，48，0，48.5，32）＋STEP（TIME，51，0，52，－35）。

仿真運(yùn)行完成后，工件變殼的質(zhì)心位置如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的變殼質(zhì)心位置

可以看出，在夾緊和松開的過程中，變殼質(zhì)心位置變動不大，涂膠過程中質(zhì)心位置較平緩，達(dá)到了設(shè)計優(yōu)化的目的。

5 結(jié)束語

Cosmosmotion仿真提供了一種切實(shí)有效的手段和方法，它可以減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和降低成本，而且仿真節(jié)省了繁雜的編程，能從仿真的動作和結(jié)果中看出動作過程和布局結(jié)構(gòu)的合理性，可以根據(jù)結(jié)果優(yōu)化設(shè)施布局并更改動作過程。因此，Cosmosmotion仿真可以縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，節(jié)約產(chǎn)品成本，也可用來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計等。

對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析可以得知，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中什么時間什么位置的加速度較大，關(guān)鍵零部件什么時候的反作用力較大，也可以根據(jù)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動軌跡的跟蹤來發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況，并根據(jù)分析的結(jié)果來調(diào)整設(shè)計方案，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

基于機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動分析的結(jié)果，以及結(jié)構(gòu)分析中的載荷值和約束，再進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)分析，可以得出安全系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變位移等結(jié)果，從而在保證強(qiáng)度可靠性的前提下，采用便宜的材料以及減少零部件材料來達(dá)到降低成本、改善性能的目的。

［1］尹成龍，牛多青.基于Solidworks的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計及工作裝置運(yùn)動仿真［J］.機(jī)械制造，2009（4）：15－17.

［2］李 濤，駱敏舟，時張杰，等.欠驅(qū)動仿人機(jī)器人手爪的精確捏取與包絡(luò)抓取研究［J］.機(jī)械設(shè)計，2009（11）：42－44.

［3］劉吉安，張志成，李克天.基于CosmosMotion的焊頭四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38（7）：108－111.

［4］王 健，劉正士.基于Cosmosmotion的圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真［J］.機(jī)械制造，2009（5）：13－15.

［5］張晉西，郭學(xué)琴.Solidworks及COSMOSMotion機(jī)械仿真設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：11－13.

［6］葉修梓，陳超祥.COSMOS高級教程：COSMOSMotion［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：68－69.

［7］李立順，劉 輝，李紅勛，等.集裝箱雙面吊吊臂連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2010（3）：27－29.

［8］錢德猛，王長文.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某型商務(wù)車底盤懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)開發(fā)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，30（Z1）：68－72.