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        基于Solidworks 的工業(yè)機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
        科學技術創(chuàng)新 2022年34期
        關鍵詞:插件工裝夾具

        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。

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