趙民全　陳立坡

(92785部隊,河北 秦皇島 066200)

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夾持機械手剛柔耦合虛擬樣機建模及性能分析

趙民全陳立坡

(92785部隊,河北 秦皇島 066200)

為了準確分析夾持機械手動力學性能，需要考慮柔性體彈性變形對夾持機械手動態(tài)特性的影響。鑒于物理樣機實驗成本較高且設計周期較長，提出一種夾持機械手剛柔耦合虛擬樣機建模方法。首先用SolidWorks軟件進行夾持機械手三維實體建模；其次將模型導入ANSYS軟件，分析確定主要柔性體并生成其模態(tài)中性文件；接著用模態(tài)中性文件替換ADAMS剛體模型中相應的剛性部件，完成夾持機械手剛柔耦合虛擬樣機建模；最后對所建模型進行動力學仿真，對比分析仿真結果，驗證了模型的正確性。研究表明，對夾持機械手等大型機械系統(tǒng)進行動力學分析時，構件的彈性變形不可忽略，采用剛柔耦合動力學建模方法能夠更加深刻地揭示夾持機械手的固有動力學特性。

夾持機械手；柔性體；模態(tài)中性文件；剛柔耦合動力學；彈性變形

夾持機械手作為一種重載操作裝備，通常用來夾持大型或超大型鍛件，配合壓機完成鍛造工作[1-2]。夾持機械手體積龐大，鍛造過程中要承受巨大的鍛造力作用。從安全角度考慮，設計時希望構件的受力盡可能小，因此機構的動力學性能是設計者應重點關注的一項指標[3]。我國目前尚未掌握1 600 kN級以上大型夾持機械手的核心關鍵技術，尤其是大型夾持機械手的構型綜合與結構設計、工作機理與性能分析等問題，嚴重影響了國內(nèi)相關制造業(yè)領域的長遠發(fā)展[4]。

夾持機械手是復雜的空間多連桿機構，零部件眾多，約束關系復雜，自由度較多，用數(shù)學方法進行動力學建模較為繁瑣。目前，對于夾持機械手的動力學研究多是將其抽象為多剛體系統(tǒng)[5]，運用多剛體系統(tǒng)動力學的方法，如牛頓-歐拉法、拉格朗日法、凱恩法和虛位移法[6-9]等，將夾持機械手各構件看成不可變形的剛性體，來建立系統(tǒng)的動力學方程。實際上夾持機械手中許多構件都是細長柔性桿，柔性桿件在變形的同時又和其它剛性桿件相互作用或耦合，使得整個系統(tǒng)動力學方程求解的難度大大增加[10]，對系統(tǒng)動力學最終分析結果影響也頗大。因此，構件本身的彈性變形在夾持機械手動力學分析過程中必須考慮[11]。通過真實的物理樣機實驗來分析具體動力學性能雖然能得到較為準確的分析結果，但不僅成本巨大，產(chǎn)品設計周期也較長。而使用虛擬樣機技術可以有效模擬機械系統(tǒng)工作的全過程，并對運動過程中的動力學性能參數(shù)進行分析，進而達到最優(yōu)化目標，這種方法已成為產(chǎn)品設計制造的必經(jīng)之路[12-13]。

針對夾持機械手動力學建模問題，本文提出一套適用于此類機構的剛柔耦合動力學建模方法[14]，并進行仿真分析，以研究柔性桿件彈性變形對夾持機械手動力學性能的影響，旨在為夾持機械手設計分析和控制優(yōu)化等后續(xù)工作的展開提供理論指導。

1　建模方法和基本思路

首先根據(jù)設計要求在SolidWorks環(huán)境下進行三維實體建模，完成夾持機械手結構尺寸設計；其次分別將三維模型導入ADAMS軟件和ANSYS軟件，在ADAMS中添加約束和載荷，完成夾持機械手多剛體系統(tǒng)動力學建模，在ANSYS軟件中通過有限元分析確定主要柔性部件并生成其模態(tài)中性MNF文件；接著將生成的MNF文件導入ADAMS多剛體虛擬樣機模型中，替換相應剛性部件，完成整機系統(tǒng)的剛柔混合虛擬樣機建模。

2　夾持機械手剛柔耦合虛擬樣機建模

2.1機械手三維實體模型創(chuàng)建

2.2確定主要彈性零件

上述步驟完成后，運行有限元軟件進行仿真分析。圖4a是2 t/5 tm夾持機械手等效應力云圖，應力最大值為86.35 MPa，出現(xiàn)在鉗口及鉗桿上，這是鉗頭處加載2 t、5 tm的鍛件重量載荷后直接作用的結果。考慮到鉗桿處應力可以通過改進夾鉗的結構，完成結構優(yōu)化來減小，在此不作為重點討論。需要強調(diào)的是，上述仿真分析過程不考慮接觸面的應變與應力，重在分析提升機構而非夾鉗機構鉗桿的應變與應力情況?；诖?，對整機來說，忽略鉗桿所受最大應力，提升機構的前懸掛桿應該為應力最大點，其應力值可達66.81 MPa。

從圖4b中可以看出，整機變形量最大值3.52 mm出現(xiàn)在鉗頭處，這同樣是由于鉗頭處承載較大，導致鉗桿處的變形較提升機構大，故不作為研究重點。此外，俯仰缸與鉗桿鉸接導致俯仰缸變形量也較大，由于液壓缸作為外購件，其變形也可以不作過多考慮。因此，對夾持機械手提升機構而言，總變形最大點同樣出現(xiàn)在前懸掛桿處，最大值為0.323 mm。

綜上所述，不考慮鉗桿處應變與應力，綜合比較機械手整機應變與應力情況可以得出，提升機構中的前懸掛桿為2 t/5 tm夾持機械手的主要彈性體零件。

2.3模態(tài)中性文件創(chuàng)建

柔性體的載體是包含構件模態(tài)信息的模態(tài)中性文件，在確定出2 t/5 tm夾持機械手前懸掛桿作為主要彈性件之后，需要對前懸掛桿模型進行有限單元的離散化處理，以生成MNF模態(tài)中性文件。前懸掛桿MNF文件生成過程如下：將SolidWorks軟件建立的前懸掛桿實體模型輸出為parasolid文件并導入ANSYS APDL環(huán)境中。首先定義兩種單元類型用于節(jié)點劃分網(wǎng)格，這里選擇solid187單元和mass21單元；然后定義材料屬性并創(chuàng)建關鍵點，創(chuàng)建位置為前懸掛桿的三個圓柱孔的中心；最后對前懸掛桿與關鍵點進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后如圖5所示。

在MNF文件生成的過程中，必須建立前懸掛桿的剛性區(qū)域，即連接關鍵點與剛柔混合接觸面上的所有節(jié)點均為剛性區(qū)域。在ANSYS APDL中，需要將node關鍵節(jié)點與接觸面其余節(jié)點分別生成部件，再組合成組件進行剛性處理，圖5中紅色部分為3個接觸剛性區(qū)域。

剛性區(qū)域創(chuàng)建完成之后即可選取關鍵連接節(jié)點與模態(tài)階數(shù)，然后輸出MNF文件。值得注意的是，在構建柔性體動力學模型過程中，需要去除柔性體部件的剛體模態(tài)和不關注的高階模態(tài)[15]，因為剛體模態(tài)主要是柔性體在笛卡兒坐標系內(nèi)的六自由度運動，若不去除，將會導致迭代算法失效，進而導致仿真失敗。

2.4剛柔耦合模型建立

導入前懸掛桿模態(tài)中性文件。在ADAMS軟件中為剛柔混合建模提供了多個輸入通道，這里直接用柔性體替換剛體模型中的剛性桿件最為便捷。導入前懸掛桿柔性單元過程中，對于柔性體桿件只需稍作位姿調(diào)整即可，ANSYS中創(chuàng)建的關鍵點會自動生成Marker點，并與其他零部件生成運動副約束關系。前懸掛桿柔性體導入ADAMS多剛體模型中后得到整機剛柔耦合動力學模型如圖7所示。

這里需要注意的是，軟件自動生成的運動副往往會發(fā)生錯位，導致仿真出錯。主要是因為原裝配體中的前懸掛桿作為剛性體單元，當用柔性單元進行替換后裝配關系中的Marker點已經(jīng)發(fā)生改變，故需對柔性桿重新定義邊界約束條件并重新加載。此外，對于較小的柔性多體模型，采用Fortran算法可以很快得到結果，而對于像夾持機械手這類大型多體動力學模型，則必須使用C++算法[15]，增加ADAMS振動插件與可靠性分析插件，減小仿真時間，增大仿真步數(shù)，才能保證動力學模型順利求解。

3　性能分析和結果驗證

3.1運動規(guī)劃和虛擬樣機仿真

考慮到夾持機械手工作狀態(tài)耗能較高，可以假設各動作之間盡量不聯(lián)動，以減小單位時間內(nèi)的能耗。機械手豎直升降運動方向和鉗頭俯仰運動方向是主要的加減速方向，其他運動方向的加速度和前兩個方向相比較小，此處暫不作考慮?；诖?，在進行各個桿件受力分析和液壓缸驅(qū)動力分析時，可以采用如下的運動規(guī)劃方案：

(1)當夾持機械手升降缸進給速度按正弦加速度規(guī)劃時，求解整個機械手在升降缸運動的不同位姿時各個關節(jié)的受力狀態(tài)。

(2)當夾持機械手俯仰缸進給速度按正弦加速度規(guī)劃時，求解整個機械手在俯仰缸運動的不同位姿時各個關節(jié)的受力狀態(tài)。

3.2柔性桿對動力學仿真結果的影響

在不考慮干擾及運動副摩擦的情況下，設定仿真步數(shù)和仿真時間，分別對2 t/5 tm夾持機械手剛體動力學模型和剛柔混合動力學模型按上述運動規(guī)劃進行仿真模擬，得到考慮柔性桿變形時各個驅(qū)動缸在鉗桿升降、俯仰、水平緩沖過程中的受力情況，并對仿真結果進行對比分析。

(1)提升機構前提升臂在初始位±30°的范圍內(nèi)，對2 t/5 tm夾持機械手虛擬樣機模型進行仿真，得到各驅(qū)動缸及關鍵鉸鏈點在正弦加速度規(guī)劃時的受力情況與靜力分析的對比如圖8所示。

從圖8a中可以看出，在多剛體虛擬樣機模型中添加柔性桿后，升降缸驅(qū)動鉗桿做升降運動的過程中，升降缸在初始位置的受力出現(xiàn)了畸變。將鉗桿升降運動前0.15 s內(nèi)的受力曲線做橫向放大，得到圖8b，其受力狀態(tài)不僅發(fā)生畸變還出現(xiàn)了高頻振蕩。分析原因知，運動規(guī)劃函數(shù)為正弦加速度，雖然這樣避免了剛性沖擊與柔性沖擊，但其僅適用于高速輕載場合。在考慮柔性桿的情況下，初始仿真階段，整個系統(tǒng)從靜止到運動的一瞬間運動狀態(tài)發(fā)生改變，ADAMS軟件根據(jù)運動函數(shù)自動找到了模型的靜態(tài)平衡點，這直接導致受力發(fā)生了瞬時畸變。即使規(guī)劃函數(shù)是無沖擊加速度規(guī)劃，仿真時間達到0.02 s左右后，剛柔混合模型中鉗桿升降運動受力趨于靜力分析值上方，并隨著柔性桿的變形而出現(xiàn)高頻振蕩。鉗桿進行升降運動0.15 s之后，升降缸受力逐漸趨于穩(wěn)定，呈負正弦規(guī)律波動，相比于動力學仿真曲線趨勢較為緩和。

觀察圖8c、d發(fā)現(xiàn)，由于柔性桿的引入，不僅整個夾持機械手模型自由度增多(ADAMS驗證為25個自由度)，并且系統(tǒng)中產(chǎn)生了由于柔性桿件受力變形而導致的巨大的沖擊載荷，這使得俯仰缸與水平緩沖缸在仿真初期均出現(xiàn)受力突變與高頻振蕩。之后二者受力曲線逐漸趨于平穩(wěn)，整體較動力學仿真曲線相差不大，局部略小于動力學仿真結果。

(2)在鉗桿俯仰運動過程中，機械手剛柔混合模型與剛體模型各驅(qū)動缸的仿真受力對比情況見圖9。

綜合圖9可以看出，考慮柔性桿的作用后，在鉗桿俯仰運動中升降缸、俯仰缸、水平緩沖缸受力仿真曲線均受到了不同程度的影響，其中俯仰缸在運動初始階段出現(xiàn)的高頻振蕩幅值最大，工況最為惡劣。由于柔性桿的變形，鉗桿與前懸掛桿鉸接點E點的位置出現(xiàn)擾動，俯仰缸輸出的平衡負載力矩的驅(qū)動力隨之發(fā)生振蕩。同樣地，水平緩沖缸與前懸掛桿鉸接點G點由于柔性桿件變形也出現(xiàn)了大幅擾動，導致水平緩沖缸在仿真初期受力產(chǎn)生振蕩。在俯仰過程中，升降缸受力除了在運動初期發(fā)生大幅波動外，其余部分整體上略小于動力學仿真受力值。

4　結語

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(編輯譚弘穎)

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Rigid-flexible coupling virtual prototype modeling and performance analysis of holding manipulator

ZHAO Minquan,CHEN Lipo

(Troops 92785, Qinhuangdao 066200, CHN)

In order to analyze the mechanical properties of holding manipulator accurately, the effect of elastic deformation of flexible body on the dynamic characteristics must be taken into consideration. In view of the high cost and the long design cycle of physical prototype experiment, a kind of rigid-flexible coupling virtual prototype modeling method of holding manipulator was put forward. Firstly, the software SolidWorks was used to carry out three-dimensional solid model of the machine. Secondly, the model was imported into ANSYS to analyze and determine the main flexible body and generate its modal neutral file. Then replaced the rigid parts of rigid body model in ADAMS with the modal neutral file, and the model of rigid-flexible coupling virtual prototype of holding manipulator was established. At last, the model was simulated, and the correctness of the model was verified by comparing and analyzing the simulation results. The research shows that the elastic deformation of flexible body can’t be ignored in the dynamic analysis of the holding manipulator. The rigid-flexible coupling dynamic modeling method can reveal the inherent dynamic characteristics of holding manipulator more deeply.

holding manipulator; flexible body; modal neutral file; rigid-flexible coupling dynamics; elastic deformation

TP212

A

趙民全，男，1979年生，碩士研究生，工程師，主要從事電子對抗、機械控制研究。

2015-11-24)

160534