宋海霞 宋萌萌 翁偉 何建華 尤燕玲 葛炎風(fēng)

摘 要：為了解決傳統(tǒng)生產(chǎn)模式手工人工成本高、生產(chǎn)效率低、人工安全等問(wèn)題，本文基于四自由度高速抓取新型并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用SolidWorks軟件搭建并聯(lián)機(jī)器人的三維模型，使用ANSYS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果顯示本文研究對(duì)象在實(shí)際應(yīng)用中能夠承載一定的受力載荷，同時(shí)改進(jìn)作業(yè)中的限制因素，后期還可以對(duì)其進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，為ADAMS軌跡運(yùn)行分析提供模型基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人;SolidWorks;ANSYS;動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TP242? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2021）08-0030-04

1 引言

隨著時(shí)代的變遷，信息技術(shù)的快速發(fā)展和集成領(lǐng)域的不斷發(fā)展，為輕工業(yè)提供了新的動(dòng)力，未來(lái)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存[1，2]。在過(guò)去，工業(yè)生產(chǎn)的流水線需要大量的人工，而人工勞動(dòng)安全和人工費(fèi)用是難以平衡的因素。這時(shí)，便有了用機(jī)器代替人工這個(gè)概念出現(xiàn)，使人工轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぶ悄堋?/p>

機(jī)器人是具有高技術(shù)、高自動(dòng)化的機(jī)構(gòu)，是當(dāng)今生產(chǎn)勞動(dòng)的一大助力[3，4]。自動(dòng)化生產(chǎn)的步伐和生產(chǎn)方面的自動(dòng)化推進(jìn)使生產(chǎn)能耗大大降低，并且在產(chǎn)品快速更迭和改善工作環(huán)境等方面發(fā)揮了積極的作用。

縱觀國(guó)內(nèi)外的并聯(lián)抓取機(jī)器人[5-8]，目前已經(jīng)獲得了許多方面的技術(shù)突破，同時(shí)具有廣闊的潛在應(yīng)用市場(chǎng)。在我國(guó)，得益于前沿科學(xué)家的不懈努力，目前在高新智能機(jī)器人領(lǐng)域也是碩果累累。其中，中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)研究院研制的嫦娥五號(hào)剛剛登陸月球。嫦娥五號(hào)是我國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)月球表面無(wú)人采樣和返回的月球探測(cè)器，成為我國(guó)探月工程戰(zhàn)略的關(guān)鍵步驟。此外，我國(guó)還研發(fā)了人形機(jī)器人、外骨骼輔助機(jī)器人、假肢類人工智能機(jī)器人、水下管道修復(fù)機(jī)器人、快速焊接機(jī)器人等等各種不同類型的機(jī)器人。同時(shí)，也在機(jī)器人的各種五感方面如聽(tīng)、聞、說(shuō)、觸等較為基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用層面都展開(kāi)了大量工作，具備了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)與制造技術(shù)。但可惜的是，我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用剛剛起步，這方面的進(jìn)步相比國(guó)外先進(jìn)高新技術(shù)還略有差距。

本文基于以上問(wèn)題，提出一個(gè)能實(shí)現(xiàn)工件在流水線上能夠擺放至正確位置且能快速完成擺放動(dòng)作的機(jī)器人，此研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以四自由度并聯(lián)高速抓取新型機(jī)器人為研究對(duì)象。利用SolidWorks軟件搭建并聯(lián)機(jī)器人的三維模型，使用ANSYS[9-11]進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。研究表明研究對(duì)象在實(shí)際應(yīng)用中可承受一定的受力載荷，并改進(jìn)作業(yè)中的限制因素，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，為后續(xù)研究創(chuàng)造模型基礎(chǔ)。

2 四自由度并聯(lián)機(jī)器人三維模型搭建

2.1 四自由度并聯(lián)機(jī)器人模型分析

對(duì)Delta機(jī)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行綜合與優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種基于變換桿長(zhǎng)平行四邊形結(jié)構(gòu)的新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并且該機(jī)構(gòu)在二維平面上具有二維運(yùn)動(dòng)。若將三維空間以XYZ三軸平面劃分，則該平行四邊形機(jī)構(gòu)置于XY平面上，動(dòng)連桿BC便有了X、Y方向的移動(dòng);若置于XZ平面上，動(dòng)連桿BC便有了X、Z方向的移動(dòng);同理，該平行四邊形機(jī)構(gòu)在YZ平面上也具有Y、Z方向的移動(dòng)。因此，本文將闡述如何使四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生三平一轉(zhuǎn)，并使用SolidWorks軟件進(jìn)行機(jī)器人模型的三維建立。

2.2 四自由度并聯(lián)機(jī)器SolidWorks三維模型建立

本文根據(jù)Delta的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1，并確定了機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)的三平一轉(zhuǎn)。并在SolidWorks軟件中搭建四自由度并聯(lián)機(jī)器人支鏈的三維模型，如圖2所示。

該支鏈以一個(gè)42步進(jìn)減速電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，電機(jī)外部連接同步輪，通過(guò)同步輪來(lái)傳遞驅(qū)動(dòng)力。兩個(gè)擺臂之間通過(guò)平行桿1來(lái)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，并且下半部分和軸框上的圓孔用銷聯(lián)接，使其產(chǎn)生分別繞A點(diǎn)和D點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)。連桿與皮帶夾固定連接，皮帶夾夾住皮帶，通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)的力，經(jīng)過(guò)皮帶與齒輪的轉(zhuǎn)換，變?yōu)檠仄У耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)連桿產(chǎn)生上下的平移。

但在圖1所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，考慮到動(dòng)平臺(tái)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，連桿有可能會(huì)超出工作空間，所以，應(yīng)對(duì)該四自由度并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

最后，在按照?qǐng)D3所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行機(jī)器人的三維建模與裝配，得到的三維模型如圖4所示。

如上圖所示，四個(gè)支鏈分別以矩形對(duì)稱的形式安裝在靜平臺(tái)上，動(dòng)連桿連接底部的軸承座，軸承座再與動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)軸固定連接?？s小了底部動(dòng)平臺(tái)的尺寸，增大了支鏈上連桿和動(dòng)平臺(tái)的空間移動(dòng)范圍。

3 四自由度并聯(lián)機(jī)器人ANSYS動(dòng)力學(xué)仿真分析

并聯(lián)機(jī)構(gòu)相較于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕盈、抗彎折能力強(qiáng)、精準(zhǔn)度高、載荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)能效的提高，對(duì)機(jī)構(gòu)的高精度、高速度、輕量化的發(fā)展更加重視。因此，機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究越來(lái)越重要。模態(tài)分析是最基本的線性動(dòng)力分析，用于分析結(jié)構(gòu)的固有頻率特性，包括固有頻率、振型及振型參與系數(shù)。本文對(duì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和單個(gè)平行四邊形支鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并通過(guò)對(duì)單個(gè)平行四邊形支鏈機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

四自由度并聯(lián)機(jī)器人的模型為復(fù)雜的空間幾何構(gòu)件，若直接在ANSYS中導(dǎo)入模型并分析，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)于龐大。因此，在保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

以SolidWorks建模為基礎(chǔ)，按1：1的比例簡(jiǎn)化實(shí)體模型后，添加6061鋁合金材料，彈性模量為68.9GPa，泊松比為0.330，密度為2750kg/m3。網(wǎng)格劃分采用自由劃分。劃分網(wǎng)格后在ANSYS中進(jìn)行有限元分析。

3.1 基于ANSYS對(duì)單個(gè)支鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析

在ANSYS中導(dǎo)入單個(gè)支鏈機(jī)構(gòu)的三維模型。所選的材料為6061鋁合金.網(wǎng)格劃分采用自由劃分。劃分網(wǎng)格后單個(gè)支鏈機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖5所示。

經(jīng)過(guò)ANSYS分析和求解，得到了如表1所示的機(jī)構(gòu)的前6階固有頻率及如圖6所示的對(duì)應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)畫截圖。

觀察圖6，支鏈機(jī)構(gòu)的連桿底部和動(dòng)連桿在第1、3、5、6階振型圖中沿XY平面的位移最大;支鏈機(jī)構(gòu)的擺臂在第1、4、5、6階振型圖中沿XY平面的位移最大;支鏈機(jī)構(gòu)在第2階振型圖中較為平穩(wěn)。

綜上所述，支鏈機(jī)構(gòu)的固有頻率應(yīng)保持在194.55Hz左右。

3.2 單個(gè)支鏈機(jī)構(gòu)諧響應(yīng)分析

3.2.1 沿X軸方向的諧響應(yīng)分析

將單個(gè)支鏈的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)過(guò)ANSYS分析和求解，得到如表2所示機(jī)構(gòu)的前10階固有頻率及如圖7所示對(duì)應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)畫截圖。

通過(guò)觀察各頻率下的諧響應(yīng)分析，可知當(dāng)頻率為105Hz時(shí)位移響應(yīng)值最大。其位移響應(yīng)云圖如圖8所示。

如圖9所示為支鏈的連桿諧響應(yīng)結(jié)果。

3.2.2 沿Y軸方向的諧響應(yīng)分析

同樣的，將單個(gè)支鏈的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)過(guò)ANSYS分析和求解，得到如表3所示機(jī)構(gòu)的前10階固有頻率及如圖10所示對(duì)應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)畫截圖。

如圖12所示為支鏈連桿沿Y軸方向的諧響應(yīng)結(jié)果。

通過(guò)觀察各頻率下的諧響應(yīng)分析，可知當(dāng)頻率為162Hz時(shí)位移響應(yīng)值最大。其位移響應(yīng)云圖如圖11所示。

從兩段的諧響應(yīng)分析圖可以看出，支鏈上連桿沿X、Y方向的曲線走向是向上的，說(shuō)明改支鏈沿X、Y方向的剛度相近，這是因?yàn)闄C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)是由矩形對(duì)稱形式組成的。在第5、8、9、10階固有頻率附近，支鏈在X、Y方向上的響應(yīng)最大，在其它固有頻率處的共振幅度較小，說(shuō)明該支鏈對(duì)105Hz和162Hz的頻率的外力最為敏感，所以，為了保證機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)度，應(yīng)該避開(kāi)這兩個(gè)頻率。

4 總結(jié)

本文以典型的Delta機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)其并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并在SolidWorks軟件中搭建四自由度的并聯(lián)機(jī)器人三維模型。在ANSYS軟件中對(duì)單個(gè)支鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定了機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中足以承載一定的受力載荷，并且通過(guò)ANSYS求解出機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)應(yīng)該避開(kāi)的一些條件，對(duì)四自由度并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)ADAMS運(yùn)動(dòng)軌跡分析提供模型基礎(chǔ)。

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