仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用

仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用摘要：仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)虛擬模型模擬真實(shí)情況下的一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。20世紀(jì)初仿真技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了高效先進(jìn)的計(jì)算工具。直至目前，仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域已經(jīng)成為無可替代的有效手段。工業(yè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)難度大。本文將仿真技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，可以有效提高工業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、減少廢品率。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械臂;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿真分析 工業(yè)機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人中的一種，被廣泛應(yīng)用到焊接、裝配、搬運(yùn)、檢測(cè)等領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)械臂由于關(guān)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)中難度較大。本文將仿真技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，對(duì)一種六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行仿真分析，從而輔助機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為其結(jié)構(gòu)參數(shù)提供有效的理論依據(jù)。 1靜力學(xué)仿真分析 靜力學(xué)分析的目的是驗(yàn)證機(jī)構(gòu)中各零件在某一特定姿態(tài)及受載情況下，是否超過材料的屈服極限而導(dǎo)致零件失效。利用靜力學(xué)仿真結(jié)果，可以幫助設(shè)計(jì)人員在沒有實(shí)際損失的情況下，以最小的代價(jià)確定合理的零部件尺寸，既實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又合理減少了多余重量，降低零部件及加工成本。在SolidWorks中建機(jī)械臂的三維模型。當(dāng)機(jī)械臂處于水平狀態(tài)時(shí)，機(jī)械臂底座承受的彎矩最大，因此對(duì)此工況進(jìn)行仿真分析。為了減少計(jì)算機(jī)資源的消耗，對(duì)機(jī)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)以配重塊的形式附加到機(jī)械臂上，簡(jiǎn)化后的機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加重力場(chǎng)。在機(jī)械臂末端施加10kg的負(fù)載，將機(jī)械臂底座與地面固定，如圖2所示。機(jī)械臂材料設(shè)為鋁合金，在SolidWorks中進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到如圖3所示的仿真分析結(jié)果。從仿真結(jié)果看，機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力位于第一關(guān)節(jié)裝配體密封蓋，最大應(yīng)力數(shù)值為8.034107N/m2，7075鋁合金屈服極限為5.05108N/m2，機(jī)構(gòu)在10kg負(fù)載下工作時(shí)，并無零件失效情況產(chǎn)生。 2模態(tài)仿真分析 機(jī)構(gòu)的固有頻率與相應(yīng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)形狀是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。對(duì)本文已經(jīng)建立的機(jī)械臂模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件設(shè)置，即可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的模態(tài)仿真分析,得到圖4所示的機(jī)構(gòu)模態(tài)云圖。由仿真結(jié)果可知，機(jī)械臂在此位姿下的前四階模態(tài)分別為24.222Hz、25.552Hz、96.1Hz、115.9Hz。根據(jù)系統(tǒng)震動(dòng)方程可知系統(tǒng)的固有頻率為：12kfpm=(1)由上式可知，系統(tǒng)固有頻率與系統(tǒng)總質(zhì)量成反比，因此，若要提高系統(tǒng)固有頻率，可以通過減小系統(tǒng)總質(zhì)量來達(dá)到目的。 3關(guān)節(jié)扭矩仿真分析 為了合理選取工程樣機(jī)的各關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)，本文進(jìn)行了各關(guān)節(jié)扭矩的仿真分析。在機(jī)構(gòu)末端施加5kg載重，載重中心距機(jī)構(gòu)末端80mm，其中第一至第六關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速均利用SolidWorks中自帶的step函數(shù)進(jìn)行模擬，目的是盡量貼近實(shí)際情況，使電機(jī)速度由0開始平穩(wěn)加速，最后平穩(wěn)減至0，加、減速時(shí)間為0.2s。在solidworks中進(jìn)行各關(guān)節(jié)電機(jī)扭圖4模態(tài)仿真分析結(jié)果矩的仿真分析，可以得到各關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩，其中第一關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩41.575Nm,第二關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩：188.684Nm，第三關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩23.952Nm，第四關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩86.772Nm，第五關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩5.083Nm，第六關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩22.716Nm。 4結(jié)語 (1)本文建立了一種六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械臂三維模型，并對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分仿真析、模態(tài)仿真分析及各關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩仿真分析。(2)仿真分析結(jié)果顯示，該機(jī)構(gòu)在極限工況下無失效零部件，機(jī)構(gòu)具有較高的一階模態(tài)。(3)各關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩仿真分析結(jié)果為工程樣機(jī)電機(jī)選型提供了理論參考。 參考文獻(xiàn) 1曾祥丹.工業(yè)機(jī)器人故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J.科技風(fēng),2017(8):10-15. 2張健.工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真實(shí)驗(yàn)研究D.浙江工業(yè)大學(xué),2014. 3王子才.仿真技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用J.中國(guó)工程科學(xué)，2003(2):40-44. 2