毛麗鳳，楊 昆，林君濠

（廣東職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528000）

引言

工業(yè)機器人誕生于20 世紀50 年代，是一種通過編程或示教實現(xiàn)自動運行，具有多關節(jié)或多自由度，并且具有一定感知功能，如視覺、力覺、位移檢測等，從而實現(xiàn)對環(huán)境和工作對象自主判斷和決策，能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環(huán)境下體力勞動的自動化機器。工業(yè)機器人不僅將工人從繁重有害的體力勞動中解放出來，還能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)競爭力[1]。

Solidworks 軟件是世界上第一個基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，功能強大、組件繁多，由于技術創(chuàng)新符合CAD 技術的發(fā)展潮流和趨勢，使得Solidworks 成為領先的、主流的三維CAD 解決方案，特別在工業(yè)機器人工裝設計中，其強大的三維建模、模擬裝配、運動仿真、應力分析等功能，對后續(xù)開展深入研究具有極大的參考意義。

本研究以手機上下料工作站工裝夾具設計為例，對其模型、裝配、運動、應力等仿真系統(tǒng)進行研究。

1 仿真系統(tǒng)模型建立

工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)選用工業(yè)機器人ABB IRB120，設計一種可以實現(xiàn)搬運和吸取產(chǎn)品的復合型夾具，搬運產(chǎn)品選為手機外殼，吸附產(chǎn)品為手機電池。三維模型系統(tǒng)包括機器人本體、法蘭盤、連接桿、汽缸、手指等，利用Solidworks 軟件中的零件建模模塊，可以輕松建模手機上下料工作站工裝夾具仿真系統(tǒng)的各個零件，其中工裝夾具中用于搬運的末端執(zhí)行器手指零件圖見圖1[2]。

該零件需要先繪制直線、圓、圓弧等二維草圖，再通過拉伸、拉伸切除、異型孔向?qū)У热S建模命令最終完成零件模型。在繪制時，要充分考慮與汽缸的配合關系、手機的尺寸（包括考慮搬運時手機側面按鍵不被擠壓），以及手機外殼上下料時汽缸和手指的伸縮活動范圍，綜合考慮各方面因素，不斷構思外觀和修改零件參數(shù)，最終才能設計出合理的手指三維零件模型。

按照上述繪制零件的方式，依次繪制出連接桿、夾具、上下料工作臺等零件，最后運用Solidworks 軟件中的模擬裝配模塊，與工業(yè)機器人本體、汽缸等模型實現(xiàn)零部件虛擬裝配。本次采用自下而上的裝配體設計方式，運用此方法完成的工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)模型見圖2。

通過三維模型的建立，可以直觀的將零件的參數(shù)可視化，同時為工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)的整體設計和評估提供極大便利。

2 模型運動仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Motion 模塊對零部件進行運動仿真分析，本次以夾具手指夾持手機往復運動過程為例，分析系統(tǒng)模型設計方案的合理性。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項卡，選擇【SOLIDWORKS Motion】，進入到運動仿真設置界面。單擊【馬達】按鈕，設置【馬達】屬性管理器見圖3：馬達類型選擇線性馬達，零部件/方向選擇手指內(nèi)側面，具體見圖4，運動形式選擇數(shù)據(jù)點，手指作往復擺動。

點擊【編輯】按鈕，對數(shù)據(jù)點具體參數(shù)進行設置見圖5：選擇位移- 時間參數(shù)，插值類型選擇線性，經(jīng)計算手指的擺動長度為10 mm，可得馬達位移、速度運動路線圖[3]。

利用Motion 插件對建立好的三維模型進行運動仿真，可以直觀地顯示夾持手機的往復運動過程，通過仿真分析結果驗證了設計方案的可行性，擺脫缺少實物的限制從而減少資金成本；也可以把運動過程保存成動畫形式方便觀看，可為工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)裝配工藝提供指導方案，便于進一步設計出最為優(yōu)化的系統(tǒng)模型。

3 模型靜應力仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Simulation 模塊對零部件進行靜應力計算，本次以夾具手指零部件為例，分析系統(tǒng)正常運行時手指的靜強度和可靠性是否滿足設計與工作要求[4]。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項卡，選擇【SOLIDWORKS Simulation】，單擊【新算例】，選擇【靜應力分析】。具體參數(shù)設置分為以下幾個步驟[5]：

（1） 應用材料：選擇AISI 1045 鋼。

（2） 夾具顧問：選擇固定幾何體，固定其中的一個面，見圖6。

（3） 外部載荷顧問：選擇力，選擇法向力的面，輸入力的大小為100 N，見圖7。

（4） 最后點擊運行此算例得到如圖8 所示的靜應力分析結果。

通過靜應力分析結果可得，與汽缸連接部位受應力影響較小，手指部位受力不均勻，根部所受應力明顯大于端部，其中根部轉折處所受應力最大，是夾具手指受力的薄弱環(huán)節(jié)。對此，可以對零部件進行結構優(yōu)化設計，考慮在兩端根部轉折處添加半徑為10 mm 的圓角，再將此優(yōu)化設計運用Simulation 插件，重復上述仿真步驟，優(yōu)化后應力仿真結果見圖9，此時應力分布均勻，證實此優(yōu)化設計可行。

通過使用 SolidWorks 軟件的靜應力分析功能，可以查找出各個零件的應力分布情況，發(fā)現(xiàn)零件中結構強度薄弱環(huán)節(jié)，進一步采用改進零件結構方式達到提高零件強度的作用，最終提升工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)的綜合性能，為后續(xù)開展動力學分析和優(yōu)化設計奠定理論基礎。

4 結論

本研究運用Solidworks 軟件的零件建模、模擬裝配、Motion 插件、Simulation插件等模塊，依次對手機上下料工作站工業(yè)機器人工裝夾具仿真系統(tǒng)進行模型建立、運動仿真分析、靜應力分析等，確保系統(tǒng)設計的合理性和可行性，大大提升了系統(tǒng)的綜合性能，也為后續(xù)繼續(xù)開展系統(tǒng)研究奠定堅實的理論基礎。