韓明輝， 王 澤

(黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

本文研究的智能控制的機械手，又叫工業(yè)機器人[1～3]，被廣泛應用到工廠的流水生產(chǎn)線上，代替人類從事焊接、切削、噴涂、搬運等繁重的勞動，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用，在提高生產(chǎn)效率的同時，也極大地提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，可以說工業(yè)機器人的應用對工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用[4].本設計采用了可以簡化機械產(chǎn)品的設計開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的設計成本，有效的提高設計產(chǎn)品的可靠性的虛擬樣機技術(shù)，對操控更加靈活的六自由度機械手進行了Pro/E建模，并且分別采用了ADAMS和ANSYS軟件，在計算機仿真環(huán)境下對于產(chǎn)品進行了設計和運動仿真和受力仿真的驗證分析.虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)勢在于.

1 ADAMS和ANSYS軟件概述

ADAMS軟件是機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，由美國的MDI公司開發(fā)，是一款典型的虛擬樣機分析軟件，它集建模、求解、可視化技術(shù)于一體.該軟件可以用于測量機械系統(tǒng)的動態(tài)性能、運動規(guī)律和載荷變化等.ANSYS有限元軟件是一個涵蓋多個領域的有限元法計算機設計程序，是另一種常用的虛擬樣機軟件，可以用來求解結(jié)構(gòu)受力和結(jié)果變形問題.其中，ADAMS軟件比較適合于進行運動特征分析和動態(tài)分析，因此本文中對虛擬樣機的整體部件進行了ADAMS環(huán)境下的運動分析.而ANSYS軟件較適合于進行靜態(tài)分析，因此本文中對于機械手臂的受力最大件，大臂部分進行了受力狀況和位移分析.

2 六自由度機械手臂的建模與仿真分析

2.1 機械手臂建模

本研究設計了一種六自由度機械手.此機械手是具有六自由度的空間開鏈機構(gòu)，由4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和5個連桿組成，該機械手的Pro/E[5]三維造型如圖1所示.

圖1 機械手造型設計

2.2 ADAMS 運動分析

本設計使用ADAMS運動學分析模塊對機械手進行正運動學和逆運動學分析，通過給機械臂手部Maker點的一般點運動驅(qū)動，讓其沿著規(guī)則曲線運動，并給Maker點一個力，模擬機械臂加工工件的過程.經(jīng)過仿真可以測出各個部件在實時運動時所受力的變化曲線.通過觀察測量可以求出在臨界時刻機械手的各個部件的受力情況.

圖2 正運動時的運動狀態(tài)

圖3 正運動分析

圖4 逆運動時的受力狀態(tài)

正運動學分析的圖片(圖2和圖3)中，可以觀察到各個部件在不同時刻的變化情況，呈現(xiàn)出不規(guī)則的曲線變化趨勢.逆運動學分析的圖片(圖4和圖5)中曲線成周期變化，且仿真運動不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.

正運動分析的結(jié)論為機械臂不產(chǎn)生運動干涉現(xiàn)象，且運動平穩(wěn)，不發(fā)生速度突變.逆運動分析的結(jié)論為機械臂在1.014秒時為危險時刻，經(jīng)過測量得出1.014秒時機械臂手部受力最大為7.7142e+006.

圖5 逆運動分析

2.3 ANSYS 靜力分析

通過ADMAS的分析，得出機械手的大臂為受力最大件，所以為了驗證產(chǎn)品的可靠性，我們對此部件做了ANSYS的應力仿真分析.

采用三維建模軟件PRO/E建立大臂結(jié)構(gòu)實體模型，將模型導入ANSYS中，從而建立床身的有限元模型.其大臂結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的空間幾何體，設計材料為A3，彈性模量為2.2e11泊松比為0.3.

圖6 大臂等效應力云圖

圖7 大臂最大變形分析云圖

圖6大臂節(jié)點等效應力Von mises分布圖云可知，大臂部分的等效應力Von mises值在4.671－12667之間，最大應力位置在大臂靠左邊處，但此處的應力值遠小于于材料的強度極限，其應力集中不會影響大臂的剛度.其設計的安全系數(shù)較大，從應力分析角度看，材料抵抗破壞的能力還是有很大潛力的.

從圖7大臂結(jié)構(gòu)的總變形Translation USUM可見，最大值為0.18e－3，位于機械臂大臂右邊位置.機械手的結(jié)構(gòu)條件能保證加工產(chǎn)品有較高的精度，結(jié)構(gòu)在空間方向的位移有一定的差距，說明在空間結(jié)構(gòu)上剛度分布不均勻，可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)類改進剛度合理分布.同時可以看出，機械臂大臂在最大危險應力的作用下的最大變形較小，符合設計需要.

3 結(jié)論

在計算機環(huán)境下，對于一種先進的六自由度機械手臂進行了虛擬樣機的設計，采用Pro/E實體建模技術(shù)對機械手臂進行計算機模型的建立，把實體模型導入到ADAMS進行虛擬樣機的仿真模擬，并在ANSYS環(huán)境下進行關(guān)鍵部件靜力分析，模擬結(jié)果證實了六自由度機械手臂的設計合理性.虛擬樣機技術(shù)對于實際產(chǎn)品的優(yōu)化設計的實現(xiàn)提供了一種快捷有效的方式.為后續(xù)數(shù)控加工中心的設計制造及投產(chǎn)提供了設計依據(jù).

[1]朱駿.移動機器人操作機械手設計與分析[D].南京:南京理工大學機械制造及其自動化，2006.

[2]張欽國.基于液壓驅(qū)動的四自由度機械手的運動仿真與優(yōu)化設計[D].吉林:吉林大學機械電子工程，2011.

[3]馬江.六自由度機械臂控制系統(tǒng)設計與運動學仿真[D].北京:北京工業(yè)大學模式識別與智能系統(tǒng)，2009.

[4]盧耀祖，鄭惠強.機械結(jié)構(gòu)設計[M].上海:同濟大學出版社.2004.

[5]楊松濤，顏兵兵.Pro/ENGINEER4.0基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.