劉俊杰等

摘要：為保證擠奶機(jī)器人滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不銹鋼支架及機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對(duì)不銹鋼支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果表明：仿真結(jié)果顯示機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而為合理設(shè)計(jì)擠奶機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)提供有力保證。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；擠奶機(jī)器人；機(jī)械臂；有限元法；仿真；ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：S818.5；S823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）06-0025-04

擠奶自動(dòng)化程度高低已成為衡量現(xiàn)代規(guī)模化奶牛場(chǎng)發(fā)展水平的重要考量指標(biāo)。國(guó)內(nèi)全自動(dòng)擠奶設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平較國(guó)外有很大差距。本研究充分吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，并以中國(guó)荷斯坦奶牛的體高、體長(zhǎng)、體寬、乳房位置和乳頭分布等體貌特征作為擠奶機(jī)械臂的設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)奶牛體征的自動(dòng)化擠奶機(jī)器人（如圖1所示）。

該擠奶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要是靠機(jī)械臂的整體橫移及伸展收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這幾個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多方向的運(yùn)動(dòng)載荷，并產(chǎn)生對(duì)機(jī)組系統(tǒng)的多路隨機(jī)激勵(lì)作用。當(dāng)機(jī)械臂在氣缸驅(qū)動(dòng)下處于提升狀態(tài)時(shí)，機(jī)械臂自身質(zhì)量及托盤(pán)質(zhì)量就會(huì)以力載荷的形式作用于機(jī)械臂自身及橫移支架上，機(jī)械臂在橫移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)滑道產(chǎn)生作用載荷。

要保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的正常安全工作，必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和剛度性能。為此，本研究利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)擠奶機(jī)器人關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，進(jìn)而為合理設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)提供有力保證。

1 機(jī)械臂有限元靜力學(xué)分析

在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下，擠奶機(jī)器人的受力狀態(tài)不同，需要對(duì)兩種狀態(tài)下的裝備進(jìn)行有限元分析。

1.1 不銹鋼支架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析

通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)不銹鋼支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，查看其受力狀態(tài)和應(yīng)力分布，確定其最大應(yīng)力。有限元分析的步驟主要包括前處理、求解計(jì)算和后處理。前處理過(guò)程包括創(chuàng)建模型或由外部三維軟件建模后導(dǎo)入，定義材料屬性和劃分網(wǎng)格等前期工作；求解計(jì)算環(huán)節(jié)主要是確定分析類(lèi)型、施加載荷和約束等步驟；后處理過(guò)程設(shè)定求解（結(jié)果）參數(shù)，觀察求解結(jié)果。具體過(guò)程如下。

1） 利用Solidworks三維建模軟件完成裝配體模型后，通過(guò)ANSYS軟件與Solidworks接口，將待分析結(jié)構(gòu)的SW文件導(dǎo)入ANSYS中。

2） 給模型添加材料、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件（約束）、施加載荷。不銹鋼支架材料選用0Cr18Ni9鋼材，其材料屬性見(jiàn)表1。為了計(jì)算方便，使載荷在支架滑軌接觸處平均分布，加載1 500 N的載荷，連接的6個(gè)螺栓分別加載250 N的載荷。支架懸臂梁的體積較大，不能忽略重力的影響，施加重力載荷（Standard Earth Gravity）。懸臂梁基座施加固定約束（Fixed Support），在基座的4個(gè)螺栓孔內(nèi)施加圓柱面約束（Cylindrical Support）。

3） 后處理求解。對(duì)不銹鋼支架進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，對(duì)施加載荷和約束之后的懸臂梁進(jìn)行求解，通過(guò)求解查看結(jié)構(gòu)的變形情況和應(yīng)力分布情況，求解得到應(yīng)力和位移云圖（如圖2所示）。

由圖2可知：在氣壓缸支撐機(jī)械臂升起后，支架懸臂梁承受載荷最大應(yīng)力出現(xiàn)在滑軌約束位置處，最大應(yīng)力為15.571 MPa；最大位移形變?cè)谥Ъ軕冶哿号c機(jī)械臂的滑道接觸處，最大形變?yōu)?.721 mm。此時(shí)，懸臂梁的最大應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，說(shuō)明懸臂梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 機(jī)械臂裝配體整體有限元分析

擠奶機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)是機(jī)械臂的橫移運(yùn)動(dòng)和氣壓缸支撐的伸展與收縮運(yùn)動(dòng)，而橫移支架是連接梁架結(jié)構(gòu)與橫移機(jī)構(gòu)的中間連接體，其工作性能的安全性非常重要，因此，在對(duì)橫移時(shí)的整體做有限元分析時(shí)，采用分析裝配體模型方式，以保證分析的正確性。

在Solidworks三維建模軟件完成裝配體模型后，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。前處理環(huán)節(jié)添加材料屬性、網(wǎng)格劃分后，還需要定義裝配體之間的接觸。整體材料選用0Cr18Ni9，其材料屬性已知。網(wǎng)格劃分尺寸為10 mm，對(duì)零件關(guān)鍵部位加密網(wǎng)格（Refine）。選用固結(jié)（Bonded）接觸類(lèi)型，接觸方式為非對(duì)稱(chēng)（Asymmetric）。

對(duì)裝配體模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，求解得出裝配體在機(jī)械臂最高位置、水平位置、最低位置的位移形變?cè)茍D和應(yīng)力云圖（如圖3所示）。

由圖3可知：3種工作位置下的位移形變最大量均出現(xiàn)在托盤(pán)端部，最大位移形變分別為1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，對(duì)整個(gè)裝配體的工作性能無(wú)影響；對(duì)于整個(gè)裝配體來(lái)說(shuō)，懸臂梁架受載均勻?qū)ΨQ(chēng)，應(yīng)力值分布左右對(duì)稱(chēng)，最大應(yīng)力值分別為70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出現(xiàn)在氣壓缸與機(jī)械臂連接的位置。此區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，與實(shí)際受載分布相符。

不銹鋼支架采用的材料為Q345，其許用應(yīng)力[σ]=137.000 MPa，由此可得出其安全系數(shù)：

n=[σ]/σ=137.000/65.640=2.09>2.00

由于受載荷裝配體的安全系數(shù)大于裝配體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，故認(rèn)為是安全的，即整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和橫移支架的裝配體是安全的。

2 不銹鋼支架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

擠奶機(jī)器人裝備的機(jī)械臂依靠2組氣壓缸的支撐進(jìn)行伸展與收縮運(yùn)動(dòng)，依靠1組氣壓缸的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成機(jī)器人的擠奶工作。支架結(jié)構(gòu)除了支撐機(jī)械臂機(jī)構(gòu)全部質(zhì)量外，還要承受來(lái)自氣壓缸驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的載荷外力作用。

支架結(jié)構(gòu)是支撐整套裝備的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到裝備的安全作業(yè)。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)在由氣壓缸支撐進(jìn)行的伸展與收縮過(guò)程中一直受動(dòng)載荷作用，擠奶工作也會(huì)使機(jī)械臂機(jī)構(gòu)在移動(dòng)過(guò)程中受到外載荷作用。擠奶工作狀態(tài)還存在橫移運(yùn)動(dòng)調(diào)整。根據(jù)不同的工作環(huán)境，橫移運(yùn)動(dòng)會(huì)有不同的橫移頻率和橫移阻力。

這些沖擊動(dòng)載荷通過(guò)各部件的相互連接傳遞到支架與機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分，從而引起擠奶設(shè)備整體及部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。有必要對(duì)裝配體結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析，得出裝配體結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型等，以避免外力頻率和結(jié)構(gòu)頻率相同或相近而發(fā)生共振。裝配體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：一階和二階模態(tài)的最大振動(dòng)頻率分別為10.391 Hz和11.597 Hz。在擠奶機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓缸選型及行程、速度設(shè)定工作中，要考慮裝配體的振動(dòng)頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，以最大限度地提高機(jī)器使用壽命及工作穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

為了使擠奶機(jī)器人能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，本研究利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)不銹鋼支架及機(jī)械臂強(qiáng)度與剛度進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對(duì)不銹鋼支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果表明：1） 當(dāng)氣壓缸支撐機(jī)械臂升起后，支架懸臂梁承受載荷最大應(yīng)力出現(xiàn)在滑軌約束位置處，最大應(yīng)力為15.571 MPa；最大位移形變?cè)谥Ъ軕冶哿号c機(jī)械臂的滑道接觸處，最大形變?yōu)?.721 mm。此時(shí)，懸臂梁的最大應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，這說(shuō)明懸臂梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。2） 機(jī)械臂總裝配在3種工作位置下位移形變最大量均出現(xiàn)在托盤(pán)端部，最大位移形變分別為1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，對(duì)整個(gè)裝配體的工作性能無(wú)影響；對(duì)于整個(gè)裝配體來(lái)說(shuō)，懸臂梁架受載均勻?qū)ΨQ(chēng)，應(yīng)力值分布左右對(duì)稱(chēng)，最大應(yīng)力值分別為70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出現(xiàn)在氣壓缸與機(jī)械臂連接的位置。此區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與實(shí)際受載分布相符。整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和橫移支架裝配體安全系數(shù)為2.09，屬于安全值范圍。3） 不銹鋼支架模態(tài)頻率顯示，一階和二階模態(tài)的最大振動(dòng)頻率分別為10.391 Hz和11.597 Hz。在擠奶機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓缸選型及行程、速度設(shè)定工作中，要考慮裝配體的振動(dòng)頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，以最大限度地提高機(jī)器使用壽命及工作穩(wěn)定性。

仿真結(jié)果顯示：機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而為合理設(shè)計(jì)擠奶機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)提供了有力保證。

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Simulation of Milking Robot Arm ANSYS based on Finite Element Method

LIU Junjie1， YANG Shenghu2， CHENG Rui1， ZHAO Yi1

（1. Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China； 2. Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： In order to meet the design requirements of milking robot， it used finite element ANSYS software to do static analysis on the strength and stiffness of stainless steel bracket and robot arm， and do modal analysis on the structure of stainless steel bracket. The result shows that the strength and stiffness of robot arm can meet the requirements of the design； it provided a guarantee for reasonable design for mechanical structure of milking robot.

Key words： agricultural machinery； milking robot； robot arm； finite element method； simulation； ANSYS