戚順平+張興國

摘 要：介紹五自由度關(guān)節(jié)式機械手結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，基于Solidworks完成機械手機身、手臂及腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并完成各部件的三維實體建模，最終實現(xiàn)機械手整體的三維模型及渲染。經(jīng)導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)中，實現(xiàn)對該機械手的有限元分析，對機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計進行性能驗證，及時發(fā)現(xiàn)不足之處，為進一步優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：Solidworks 關(guān)節(jié)型 工業(yè)機器人 ANSYS 有限元分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0071-04

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機械手的應(yīng)用場合不斷擴展，在裝配、噴涂、焊接等各種危險和單調(diào)的重復(fù)勞動中發(fā)揮重要角色。這里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度關(guān)節(jié)式機械手設(shè)計及分析。

1 機械手結(jié)構(gòu)方案

關(guān)節(jié)式機器人具有很好的作業(yè)適應(yīng)性，是目前通用工業(yè)機器人的主要結(jié)構(gòu)形式。

機械手的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、電驅(qū)動、氣動等。液壓驅(qū)動主要用于承載大、要求快速反應(yīng)場所；氣動具有價格低、適用負載小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，但其難以實現(xiàn)伺服控制；電驅(qū)動由于擁有噪聲低、控制方便、精度高等特點而被廣泛運用[1]。本設(shè)計中采用伺服電機作為驅(qū)動源，通過齒輪、同步帶（輪）等進行傳動。腕關(guān)節(jié)上設(shè)計有裝配手爪用法蘭，可以通過更換手爪來實現(xiàn)不同的作業(yè)任務(wù)。

五自由度機械手為基本的關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，圖1為其結(jié)構(gòu)簡圖，共擁有5個旋轉(zhuǎn)自由度，分別為：機身旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J1（肩關(guān)節(jié)）、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J2（肩關(guān)節(jié)）、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3（肘關(guān)節(jié)）和手腕仰俯運動關(guān)節(jié)J4、手腕旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)J5（腕關(guān)節(jié)）[2-4]。其中的2個肩關(guān)節(jié)協(xié)同1個肘關(guān)節(jié)完成定位操作，2個腕關(guān)節(jié)進行定向。兩個肩關(guān)節(jié)分別實現(xiàn)俯仰和繞豎直線方向旋轉(zhuǎn)，兩個肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線正交，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線平行于實現(xiàn)俯仰的肩關(guān)節(jié)J2]。這種構(gòu)型擁有動作靈敏準確、占用空間小，作業(yè)過程不發(fā)生干涉等優(yōu)點，是通用機械手的常見選型。

2 基于Solidworks的機械手本體設(shè)計

計算機輔助設(shè)計（CAD）在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。SolidWorks作為常用的三維CAD軟件之一，可實現(xiàn)CAD/CAE/CAM的集成和數(shù)據(jù)信息共享，將設(shè)計、分析、加工于一體，可以提供三維建模、有限元分析、運動仿真、工程圖紙等眾多功能[5]。

2.1 材料的選擇

材料的選用決定著產(chǎn)品的使用質(zhì)量，同時也影響著產(chǎn)品的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)方式。本文設(shè)計的機械手，根據(jù)其具體的工作條件，主要考慮以下幾點因素：（1）強度、硬度高，以保證在彎矩較大時候仍可以有很高的定位能力；（2）重量輕，機械手由于要求運動快速穩(wěn)定，所以盡量減少慣性是必須考慮的因素之一；（3）彈性模量大、阻尼大，減少變形且同時吸收多余能量。

綜上所述，機身選用合金鋼16MnV，手臂采用鑄鋁ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的鑄造性能，彈性E不大，且密度小，E/e比可與鋼相比。

2.2 機身的設(shè)計

機身連接著機械手，作為機械手的載體可實現(xiàn)機械手的升降和旋轉(zhuǎn)等動作。通常機械手的機身都與底座連為一體，且機身可具有三個以內(nèi)的自由度。作為整個系統(tǒng)的支撐部件，要具有較高剛性和良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，以便于實現(xiàn)精準的運動定位。如果機身如果可以提供豎直方向的自由度，即升降運動，則需設(shè)計能夠承受住比較大的彎矩力精確的導(dǎo)向裝置。因為導(dǎo)向裝置在升降的過程中要承受機械手大臂、小臂以及負載的載荷。

根據(jù)機械手的實際工作需要，機身只提供一個轉(zhuǎn)動軸為豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機身的水平方向轉(zhuǎn)動，由交流伺服電機作為動力源。機身在水平方向由轉(zhuǎn)動軸帶動旋轉(zhuǎn)過程中，機身轉(zhuǎn)動軸的上下兩端分別與底座外殼上下部采用軸承連接，且機身轉(zhuǎn)動軸在運動過程中軸向和徑向?qū)⑼瑫r受力，所以軸承均采用角接觸球軸承實現(xiàn)良好的徑向和軸向載荷承載能力。圖2為Solidworks中機身的結(jié)構(gòu)。

2.3 機械手臂的設(shè)計

機械手由大臂、小臂、腕部組成，手臂連接于機身并支撐起腕部，提供給末端機構(gòu)的準確定位。機械手末端軌跡復(fù)雜且運動速度高，應(yīng)考慮系統(tǒng)剛度、穩(wěn)定性、慣性等因素?？刹捎煤侠淼慕孛嬉詼p少同樣剛度下的手臂質(zhì)量，同時自重減輕也有利于提高機械手的定位準確性。

2.3.1 大臂設(shè)計

機械手大臂通過兩端連接軸分別與機身和小臂連接。大臂內(nèi)部布置了自身的驅(qū)動電機，同時為減少整個手臂運動過程的阻力矩和轉(zhuǎn)動慣量，將機械手小臂的驅(qū)動電機也緊湊的安裝在大臂內(nèi)部，圖3為Solidworks中大臂結(jié)構(gòu)圖。

大臂和小臂的驅(qū)動電機安裝在大臂中部并與減速器連接，減速器通過固定板安裝在大臂內(nèi)。減速器的輸出軸通過齒形帶將驅(qū)動力傳遞至大臂兩端的轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動軸用深溝球軸承安裝于大臂兩側(cè)，并通過平鍵將軸分別與機身和小臂連接。采用此種驅(qū)動傳遞方式可實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)的同級運動控制，易于平穩(wěn)和精確的末端軌跡控制。

使用的同步傳送帶由于工作過程有較大的張緊力，在使用中會發(fā)生塑性伸長進而有可能會產(chǎn)生松弛和打滑等現(xiàn)象，因此在傳送帶的設(shè)計過程中添加了一個可以調(diào)整位置的張緊裝置，用以確保帶輪有固定的張緊力。如圖4所示，張緊輪通過彈簧有一個向上的固定壓緊力，可以在帶松弛時會自動施壓來保證張緊。

2.3.2 小臂和手腕的設(shè)計

機械手的小臂一端通過軸承連接安裝于大臂末端，另一端聯(lián)接手腕。小臂的驅(qū)動電機安裝在大臂的內(nèi)部，而為了結(jié)構(gòu)的緊湊性及減小機械手轉(zhuǎn)動慣量，小臂內(nèi)部用于安裝手腕驅(qū)動電機。在傳動形式上腕部與小臂、大臂不同，小臂內(nèi)手腕驅(qū)動電機通過齒輪傳動傳遞至腕部安裝軸。采用齒輪傳動可以提高傳動效率和穩(wěn)定性，減少機械手整體的運動誤差。圖5為小臂和手腕的結(jié)構(gòu)圖。endprint

2.4 機械手三維建模及渲染

零件的實體造型，就是在計算機中通過基本元素完成幾何模型的確切表達。這樣可以使技術(shù)人員直接在計算機上進行三維的設(shè)計，免去了二維圖紙來表達三維信息的各種受限因素，且可減少此過程可能產(chǎn)生的錯誤，機械手模型如圖6。

Photoworks作為SolidWorks的自帶插件，可以提供各種材質(zhì)以及背景添加，能夠達到很好的渲染效果，不需要進行昂貴的加工才能看到樣件的效果。使用交互式三維模型渲染，可提快速的提供紋理和景觀效果的渲染預(yù)覽。Photoworks模塊為減少側(cè)影“齒距”，采用的自適應(yīng)防圖形失真技術(shù)大大提高了圖片的質(zhì)量。機械手最終的渲染效果如圖7。

3 基于ANSYS的機械手關(guān)鍵部件分析

軟件模擬分析是計算機和現(xiàn)代工程方法的完美結(jié)合，有限單元分析是計算機輔助工程CAE技術(shù)中一種重要的方法。ANSYS是一種通用的有限元分析軟件，融合了多種性能分析于一體，被廣泛應(yīng)訴于各個行業(yè)。ANSYS可以實現(xiàn)多場和多場耦合分析；具有一體化的前后處理以及求解數(shù)據(jù)庫；可以進行非線性分析以及優(yōu)化的計算方法；多種網(wǎng)格劃分技術(shù)等良好性能[6]。

機械手作過程中，軌跡復(fù)雜且運動速度快。為了保證機械手的安全性和穩(wěn)定性，進行有限元力學分析是十分必要的，這里以其中關(guān)鍵部件機械手大臂為例。

3.1 ANSYS模型建立

ANSYS軟件內(nèi)部提供了實體模型建立和有限元模型直接生成兩種建模方法，但其建模方法與目前的主流三維造型軟件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三維軟件進行設(shè)計后，再導(dǎo)入ANSYS進行相關(guān)分析和處理[7]。

先將機械手大臂的SolidWorks三維模型保存為Parasolid文件，通過“文件”、“導(dǎo)入”、“PARA”等菜單就可以完成在ANSYS中實體模型的導(dǎo)入，結(jié)果如圖8所示。

3.2 單元屬性設(shè)置

單元類型設(shè)置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，設(shè)置為Structural Solid，20node 95。機械手大臂的材料采用的是鑄造合金鋁，查詢相關(guān)資料確定其性質(zhì)進行材料特性的設(shè)置：彈性模量設(shè)置為70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分分為自由網(wǎng)格劃分、映射劃分、拖拉和掃掠網(wǎng)格劃分等。根據(jù)此次分析實際需要，采用自動網(wǎng)格劃分來自動生成四面體網(wǎng)格。對于重要部分（比如大臂、小臂）的兩端受力部位還要再使用網(wǎng)格細化，進一步完善網(wǎng)格劃分，以得到更好的分析結(jié)果。在網(wǎng)格劃分過程中使用了Smart Size，智能網(wǎng)格劃分尺寸選擇5，具體效果如圖10所示。

3.4 加載與求解

大臂與小臂平行且都在水平位置。此時小臂以及末端重量都加載在大臂末端用于安裝軸承的內(nèi)孔面上。另外，大臂本身的自重力，視為均勻分布。通過Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加載。大臂左端通過轉(zhuǎn)支架固定。轉(zhuǎn)矩加載大小根據(jù)電機選型時計算得出的數(shù)值進行加載，并且大臂左端承受轉(zhuǎn)矩通過齒形帶和帶輪傳遞至大臂中部的驅(qū)動電機。得到的變形和應(yīng)力分布如圖11。

從圖11（a）可見大臂在載荷作用下出現(xiàn)了一定變形，最大變形量很小，在運動過程中可以通過閉環(huán)控制進行實時的姿態(tài)調(diào)整，減少因彎曲變形而導(dǎo)致的定位不準因素。也可作為指導(dǎo)進一步進行優(yōu)化設(shè)計，在大臂內(nèi)側(cè)增加加強筋來減少變形，以達到更好的定位效果。

從圖11（b）中可得，機械手大臂在彎矩最大狀態(tài)時，大臂應(yīng)力最大處位于安裝大臂驅(qū)動電機的安裝孔處，最大約為103 MPa，遠小于選用材料ZAlSi7MgA的許用應(yīng)力（180～250 MPa），指導(dǎo)大臂非主要受力位置厚度等尺寸可適當縮小，整體用料精簡。

4 結(jié)語

通過Solisworks設(shè)計完成五自由度機械手，并將其模型導(dǎo)入ANSYS內(nèi)進行有限元分析，確保載荷最大狀態(tài)時機械手工作的安全性，以驗證機械手整體設(shè)計的正確性，并及時發(fā)現(xiàn)不足之處予以優(yōu)化，同時也為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

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