機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第4期146Machinery Design Manufacture2011年4月文章編號(hào):1001-3997(2011)04-0146-02機(jī)器人大臂機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究薄少軍(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭014010)Dynamic analysis of the big arm of robot(Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)【摘要]采用虛擬樣?xùn)i技術(shù),準(zhǔn)確地測(cè)算出機(jī)器人大臂機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中各關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),進(jìn)而采用有限元方式對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行了受力分析,對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)果得出了準(zhǔn)確的判斷,并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行修正關(guān)鍵詞:機(jī)器人;虛擬樣機(jī);有限元;分析(Abstract] In the course of developing the virtual prototype of the robot, the virtua! prototype tech-nique was applied to accurately calculate some motion parameters and kinetic parameters of each motionint f finite method was applied to make stress analysis to the main components of the robot and directlyerify some designing content about the robot, then accurate appraisement to primary design result was con-cluded, existing problems were timely found and resolved.Key words: Robot; Virtual prototype; Finite-element method; Analysis中圖分類號(hào):TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言真之前,通過(guò)擅長(zhǎng)復(fù)雜零件建模的軟件UG進(jìn)行三維建模。由于在機(jī)器人大臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,零件的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸G和 ADAMS之間能夠接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,這樣就可直接將在一般是根據(jù)簡(jiǎn)單的靜力學(xué)計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)而來(lái)缺乏更為可靠的理論UG中構(gòu)建的實(shí)體模型輸入到 ADAMS中進(jìn)行分析。依據(jù),因此機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)并不一定合理合理可能未必達(dá)到最優(yōu)。為解21仿真模型決這一問(wèn)題我們采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限單元法。在為機(jī)器人通過(guò)以下過(guò)程為機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)仿真模型"(1)機(jī)器人實(shí)體建模后采用 ADAMS軟件的系統(tǒng)仿真方法得到了機(jī)器人模型在UG建好模以后,將模型從UG中導(dǎo)入到 ADAMS中;(2)各節(jié)點(diǎn)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力曲線得出在最危險(xiǎn)狀態(tài)下的受在 ADAMS運(yùn)行環(huán)境下,修改和完善模型,同時(shí)設(shè)置工作環(huán)境包力值。根據(jù)最危險(xiǎn)狀態(tài)下的受力值,利用 PATRANNASTRAN軟括設(shè)置T作網(wǎng)格、重力以及修改構(gòu)件的質(zhì)量等;(3)完成給構(gòu)件施件對(duì)大臂部分的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。加旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副以及高副約束等;(4)給仿真模型施加移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式:(5)給模型施加外載荷包括力和力矩;(6)在2建模與分析對(duì)虛擬樣機(jī)裝配結(jié)束后檢查樣機(jī)裝配的正確性;(7)確定對(duì)仿真在 ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)求解時(shí)重點(diǎn)是考慮零件的模型的運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)?nèi)容,主要包括角度速度和加速度力的測(cè)量質(zhì)心和質(zhì)量。為了得到零件的準(zhǔn)確質(zhì)量和質(zhì)心,在用 ADAMS仿根據(jù)不同的要求,可以輸出仿真結(jié)果★來(lái)稿日期:201006-28*基金項(xiàng)日:內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金(2009NC030)在磨痕的邊緣或有缺陷的小范圍產(chǎn)生較少的裂紋。TC-TiB2陶瓷粒細(xì)小且引入增韌機(jī)制的陶瓷有更強(qiáng)的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。表面的裂紋細(xì)長(zhǎng)有少量分叉現(xiàn)象具有一定的方向性為以穿晶參考文獻(xiàn)斷裂為主兼有沿品斷裂的混合模式1周玉陶瓷材料學(xué)(第二版)M]北京:科學(xué)出版社,20042安閣英鑄件形成理論[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19896結(jié)論3 Minowa K, Sumino K Stress induced amorphization of a silicon crystal by根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察得出以下結(jié)果(1)陶瓷材料在燒mh路Brum,903032結(jié)時(shí)存在內(nèi)部缺陷和初始裂紋源另外削時(shí)由于磨粒的作用也5 Kawkubo TOkable NStatie and cyclic fatigue behaviour in ceramics. It會(huì)使陶瓷材料產(chǎn)生裂紋源(2)裂紋的擴(kuò)展不僅與材料的機(jī)械物理性能有關(guān)還與初始裂紋源的分布數(shù)有密切相關(guān)。初始裂紋6MH中國(guó)煤化工726多,晶粒強(qiáng)度低,晶間結(jié)合力小處裂紋容易擴(kuò)展并發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分ContCN MH GIntemational Conference onRobotics& Automation SanFrancisco, 2000(8)支和橋聯(lián)等形式使得材料中裂紋的擴(kuò)展旱現(xiàn)不連續(xù)性。(3)陶瓷7 ASHegazicomparison Between Conventional And High Speed Milling Pro-材料的磨削裂紋形成和擴(kuò)展,材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是影響因素。晶cesses. Joumal of Engineering and Applied Science, 2006(1 45-61第4期薄少軍:機(jī)器人大臂機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究在 ADAMS運(yùn)行環(huán)境下建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示。略部件的重力所施加到四桿構(gòu)件的力和力矩,一些小的零部件忽略不計(jì);第二部分載荷是機(jī)器人工作時(shí)的負(fù)載,這個(gè)力由試驗(yàn)測(cè)得(4)材料設(shè)置構(gòu)件所用材料均為6Mm,其屈服極限o=410MPa,取安全系數(shù)n,=17則許用應(yīng)力=ms=241Mpu,彈性模量E=210GPa,泊松比y=0.3,材料密度p=7800kgm圖1動(dòng)力學(xué)模型22大臂機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)點(diǎn)上力的測(cè)量圖4有限元模型如圖2所示,大臂的活動(dòng)范圍為(-29.71)(為通過(guò)連32構(gòu)件的應(yīng)力分析桿1與水平線的夾角),通過(guò)對(duì)一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期的仿真,使用連桿1在整個(gè)受力過(guò)程中是非常重要的如圖5所示。初始軟件的虛擬傳感器功能分析可知,當(dāng)=(-14)時(shí),大腎四連桿機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)的最大受力發(fā)生在中部鉸點(diǎn)處,達(dá)到272MPa,在中構(gòu)的受力狀態(tài)最危險(xiǎn),對(duì)應(yīng)于該狀態(tài)可測(cè)量出構(gòu)件的受力值。部紋點(diǎn)下部拐角處應(yīng)力最大值達(dá)到254MHh,兩者顯然都已超過(guò)材料的許用應(yīng)力,為此我們對(duì)初始的板厚尺寸增加了20%,以確保其工作可靠性。其余各構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力o,是安全的。篇幅所限,不再贅述。2連桿1與水平線間的夾角情況3有限元分析各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮圖5連桿1的應(yīng)力云紋圖的因素通過(guò)有限元分析,可得出各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變和整體的4結(jié)論結(jié)構(gòu)變形,從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。大臂機(jī)構(gòu)中承受主(1)在LG中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模,既可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的零件要載荷的部分,如圖3所示與部件的有效性檢驗(yàn)而且其模型可以無(wú)障礙導(dǎo)入仿真分析軟件中.可為機(jī)器人的力學(xué)分析工作創(chuàng)造良好條件:(2)利用虛擬傳感器準(zhǔn)確測(cè)量并直觀檢查機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的位置關(guān)系、速度關(guān)系、關(guān)節(jié)受力規(guī)律等,克服了傳統(tǒng)的D-H算法復(fù)雜效率低、精度差的缺點(diǎn),提高了設(shè)計(jì)精度,拓寬了研究范圍:(3)采用有限單元法進(jìn)行分析能夠找到機(jī)器人可能存在的薄弱環(huán)節(jié),并且得以修圖3四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,使得設(shè)計(jì)更加科學(xué)3.1機(jī)構(gòu)的有限元模型參考文獻(xiàn)在模型的建立過(guò)程中完成了以下T作內(nèi)容s薄少軍中型噴漿機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究[D青島:山東科技大學(xué)機(jī)器人研究(1)結(jié)構(gòu)離散按照“均勻應(yīng)力粗劃,應(yīng)力梯度大的細(xì)劃”原2維光愣,李伯虎,榮旭東擬樣機(jī)技術(shù)門(mén)系統(tǒng)傷真學(xué)報(bào),201(1)則用四邊形和三角形的板殼單元對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元3 Changzhi. Zhonghua D. Xingui W. Research on dynamic simulation of field格如圖4所示。machAnA MS ILProceedingsof the Intemational Symposium(2)約束的確定應(yīng)用動(dòng)態(tài)問(wèn)題靜態(tài)化的原則認(rèn)為在鉸接處4余峰中國(guó)煤化工七研究[M蘭州:蘭州理工A、BC、E只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)而限制了其移動(dòng)自由度和其它兩個(gè)方向大學(xué)CNMHG的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在FDG處則認(rèn)為是剛性連接;5 Darl Logan法杯礎(chǔ)教程M北京:電子工業(yè)出版社,2036 Tony LSchmitz, John Ciegert, SUzanne Canning. Raul Zapata. Case stud(3)外加載荷的確定外加載荷分為二個(gè)部分第一部分是所省 A comparison of error sources in high-speed milling00)12613