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        基于Solidworks 的工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)研究

        2022-12-07 07:52:40毛麗鳳林君濠
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年34期
        關(guān)鍵詞:插件工裝夾具

        毛麗鳳,楊 昆,林君濠

        (廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528000)

        引言

        工業(yè)機(jī)器人誕生于20 世紀(jì)50 年代,是一種通過編程或示教實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行,具有多關(guān)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(shí)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(jī)器。工業(yè)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)大、組件繁多,由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD 技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢,使得Solidworks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD 解決方案,特別在工業(yè)機(jī)器人工裝設(shè)計(jì)中,其強(qiáng)大的三維建模、模擬裝配、運(yùn)動仿真、應(yīng)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(jī)上下料工作站工裝夾具設(shè)計(jì)為例,對其模型、裝配、運(yùn)動、應(yīng)力等仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究。

        1 仿真系統(tǒng)模型建立

        工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)選用工業(yè)機(jī)器人ABB IRB120,設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)和吸取產(chǎn)品的復(fù)合型夾具,搬運(yùn)產(chǎn)品選為手機(jī)外殼,吸附產(chǎn)品為手機(jī)電池。三維模型系統(tǒng)包括機(jī)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(jī)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(yùn)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(guān)系、手機(jī)的尺寸(包括考慮搬運(yùn)時手機(jī)側(cè)面按鍵不被擠壓),以及手機(jī)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(gòu)思外觀和修改零件參數(shù),最終才能設(shè)計(jì)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(yùn)用Solidworks 軟件中的模擬裝配模塊,與工業(yè)機(jī)器人本體、汽缸等模型實(shí)現(xiàn)零部件虛擬裝配。本次采用自下而上的裝配體設(shè)計(jì)方式,運(yùn)用此方法完成的工業(yè)機(jī)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(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和評估提供極大便利。

        2 模型運(yùn)動仿真分析

        通過使用Solidworks 軟件的Motion 模塊對零部件進(jìn)行運(yùn)動仿真分析,本次以夾具手指夾持手機(jī)往復(fù)運(yùn)動過程為例,分析系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)方案的合理性。

        單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項(xiàng)卡,選擇【SOLIDWORKS Motion】,進(jìn)入到運(yùn)動仿真設(shè)置界面。單擊【馬達(dá)】按鈕,設(shè)置【馬達(dá)】屬性管理器見圖3:馬達(dá)類型選擇線性馬達(dá),零部件/方向選擇手指內(nèi)側(cè)面,具體見圖4,運(yùn)動形式選擇數(shù)據(jù)點(diǎn),手指作往復(fù)擺動。

        點(diǎn)擊【編輯】按鈕,對數(shù)據(jù)點(diǎn)具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置見圖5:選擇位移- 時間參數(shù),插值類型選擇線性,經(jīng)計(jì)算手指的擺動長度為10 mm,可得馬達(dá)位移、速度運(yùn)動路線圖[3]。

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

        3 模型靜應(yīng)力仿真分析

        通過使用Solidworks 軟件的Simulation 模塊對零部件進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算,本次以夾具手指零部件為例,分析系統(tǒng)正常運(yùn)行時手指的靜強(qiáng)度和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)與工作要求[4]。

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

        (1) 應(yīng)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(diǎn)擊運(yùn)行此算例得到如圖8 所示的靜應(yīng)力分析結(jié)果。

        通過靜應(yīng)力分析結(jié)果可得,與汽缸連接部位受應(yīng)力影響較小,手指部位受力不均勻,根部所受應(yīng)力明顯大于端部,其中根部轉(zhuǎn)折處所受應(yīng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),考慮在兩端根部轉(zhuǎn)折處添加半徑為10 mm 的圓角,再將此優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用Simulation 插件,重復(fù)上述仿真步驟,優(yōu)化后應(yīng)力仿真結(jié)果見圖9,此時應(yīng)力分布均勻,證實(shí)此優(yōu)化設(shè)計(jì)可行。

        通過使用 SolidWorks 軟件的靜應(yīng)力分析功能,可以查找出各個零件的應(yīng)力分布情況,發(fā)現(xiàn)零件中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)一步采用改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)方式達(dá)到提高零件強(qiáng)度的作用,最終提升工業(yè)機(jī)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(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

        4 結(jié)論

        本研究運(yùn)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(jī)上下料工作站工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)進(jìn)行模型建立、運(yùn)動仿真分析、靜應(yīng)力分析等,確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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