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仿真技術在工業(yè)機械臂的應用
摘要：仿真技術是利用計算機虛擬模型模擬真實情況下的一種風險評估。20世紀初仿真技術已經得到應用。20世紀60年代，計算機技術突飛猛進，為仿真技術提供了高效先進的計算工具。直至目前，仿真技術在設計優(yōu)化領域已經成為無可替代的有效手段。工業(yè)機械臂結構復雜、設計周期長、設計難度大。本文將仿真技術應用到工業(yè)機械臂的設計中，可以有效提高工業(yè)機械臂的設計效率、降低設計風險、減少廢品率。
關鍵詞：工業(yè)機械臂;結構設計;仿真分析
工業(yè)機械臂是工業(yè)機器人中的一種，被廣泛應用到焊接、裝配、搬運、檢測等領域。工業(yè)機械臂由于關節(jié)較多，結構復雜，其設計中難度較大。本文
2、將仿真技術應用到工業(yè)機械臂設計中，對一種六關節(jié)工業(yè)機械臂進行仿真分析，從而輔助機械臂結構設計，為其結構參數(shù)提供有效的理論依據(jù)。
1靜力學仿真分析
靜力學分析的目的是驗證機構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致零件失效。利用靜力學仿真結果，可以幫助設計人員在沒有實際損失的情況下，以最小的代價確定合理的零部件尺寸，既實現(xiàn)了預定的結構強度，又合理減少了多余重量，降低零部件及加工成本。在SolidWorks中建機械臂的三維模型。當機械臂處于水平狀態(tài)時，機械臂底座承受的彎矩最大，因此對此工況進行仿真分析。為了減少計算機資源的消耗，對機構內進行簡化，將不影響
3、分析結果的結構以配重塊的形式附加到機械臂上，簡化后的機構模型如圖1所示。對簡化后的模型進行網(wǎng)格劃分，并施加重力場。在機械臂末端施加10kg的負載，將機械臂底座與地面固定，如圖2所示。機械臂材料設為鋁合金，在SolidWorks中進行靜力學分析，得到如圖3所示的仿真分析結果。從仿真結果看，機構最大應力位于第一關節(jié)裝配體密封蓋，最大應力數(shù)值為8.034107N/m2，7075鋁合金屈服極限為5.05108N/m2，機構在10kg負載下工作時，并無零件失效情況產生。
2模態(tài)仿真分析
機構的固有頻率與相應的模態(tài)結構形狀是機構設計中的重要參數(shù)。對本文已經建立的機械臂模型進行適當?shù)倪吔?/p>
4、條件設置，即可進行機構的模態(tài)仿真分析,得到圖4所示的機構模態(tài)云圖。由仿真結果可知，機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)總質量來達到目的。
3關節(jié)扭矩仿真分析
為了合理選取工程樣機的各關節(jié)電機型號，本文進行了各關節(jié)扭矩的仿真分析。在機構末端施加5kg載重，載重中心距機構末端80mm，其中第一至第六關節(jié)轉速均利用SolidWorks中自帶的step函數(shù)進行模擬，目的是盡量
5、貼近實際情況，使電機速度由0開始平穩(wěn)加速，最后平穩(wěn)減至0，加、減速時間為0.2s。在solidworks中進行各關節(jié)電機扭圖4模態(tài)仿真分析結果矩的仿真分析，可以得到各關節(jié)電機最大扭矩，其中第一關節(jié)電機最大扭矩41.575N?m,第二關節(jié)電機最大扭矩：188.684N?m，第三關節(jié)電機最大扭矩23.952N?m，第四關節(jié)電機最大扭矩86.772N?m，第五關節(jié)電機最大扭矩5.083N?m，第六關節(jié)電機最大扭矩22.716N?m。
4結語
(1)本文建立了一種六關節(jié)工業(yè)機械臂三維模型，并對其進行了靜力學分仿真析、模態(tài)仿真分析及各關節(jié)電機扭矩仿真分析。(2)仿真分析結果顯示，該機構在極限工況下無失效零部件，機構具有較高的一階模態(tài)。(3)各關節(jié)電機扭矩仿真分析結果為工程樣機電機選型提供了理論參考。
參考文獻
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仿真技術在工業(yè)機械臂的應用
