(貴州理工學(xué)院工程實訓(xùn)中心，貴州 貴陽 550003)

并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手虎克鉸有限元分析

趙藝璇

(貴州理工學(xué)院工程實訓(xùn)中心，貴州 貴陽 550003)

0 引言

隨著機電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，機械手這種機器人技術(shù)和機床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物應(yīng)運而生，引起了國際上廣泛關(guān)注。機械手及其零部件的結(jié)構(gòu)也日趨高精度化和復(fù)雜化。傳統(tǒng)的設(shè)計方法，如類比設(shè)計法和經(jīng)驗設(shè)計等方法煩瑣且設(shè)計粗糙，耗費大量人力,物力,也很難獲得各項指標(biāo)優(yōu)良的設(shè)計方案，不能滿足現(xiàn)代機械設(shè)計的要求。為此，采用SolidWorks軟件，對并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手虎克鉸進(jìn)行有限元分析和研究，得出的分析結(jié)果，對于虎克鉸在機械手上的應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 虎克鉸在并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手上的工況分析

1.1 并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手

并聯(lián)機構(gòu)如圖1所示。所研究的虎克鉸，是并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手上應(yīng)用的零部件之一，它現(xiàn)實生產(chǎn)中主要運用在汽車修復(fù)中的機械手，適用于重復(fù)工作的、可以改變動作程序的自動修復(fù)設(shè)備，操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。并聯(lián)機構(gòu)五自由度混聯(lián)機械手，是PR-2UPS并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的五自由度混聯(lián)機械手，模型由動平臺1條PR支鏈和2條UPS支鏈并聯(lián)構(gòu)成，由定長連桿通過導(dǎo)軌滑塊與機架相連，一端由轉(zhuǎn)動副R與動平臺相連。

圖1 并聯(lián)機構(gòu)

1.2 約束條件的確立

平移時的行程為1000mm。對于每條UPS支鏈，一端通過內(nèi)套筒鏈接球面副與動平臺連接，另一端通過虎克鉸與機架鏈接，由2條支鏈的伸縮來控制動平臺的轉(zhuǎn)動，其中球副的最大擺角為30°，通過動平臺掃過的扇形面積實現(xiàn) 800mm的行程。機架內(nèi)連接滑塊，該滑塊可以沿著固定于基座的滑道上下移動，實現(xiàn)500mm行程，機械手末端的可達(dá)工作空間為1000mm×800mm×500mm，虎克鉸旋轉(zhuǎn)角度為0°。在載荷為400N時進(jìn)行靜力分析。

2 基于SolidWorks軟件有限元分析

2.1有限元分析流程

有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題[1]。簡言之，有限元分析可分成3個階段，前處理、處理和后處理，主要流程如圖2所示。這里只進(jìn)行靜力分析。建立有限元模型屬于前處理，主要完成單元網(wǎng)格劃分，是處理和后處理的基礎(chǔ)。對PR-2UPS并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的五自由度混聯(lián)機械手建立正確的有限元建模，生成合理的網(wǎng)格，可以得到精確的有限元分析結(jié)果。

圖2 有限元分析流程

2.2 基于SolidWorks Simulation有限元建模流程

利用SolidWorks Simulation軟件，對PR-2UPS并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的五自由度混聯(lián)機械手進(jìn)行有限元分析，建立有限元模型的一般過程如圖3所示。

圖3 有限元建模流程

有限元建模具體操作過程為：

a.將UG 6.0建立的零件實體模型導(dǎo)入SolidWorks 軟件中，重新進(jìn)行裝配，簡化裝配圖[2]。

b.將裝配圖直接在SolidWorks Simulation打開。

c.定義接觸的各面及零部件的接觸。

d.選擇網(wǎng)格的劃分類型，劃分網(wǎng)格。

建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實際形狀和實際工況條件建立有限元分析的計算模型(有限元模型)，從而為有限元數(shù)值計算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)SolidWorks Simulation軟件中網(wǎng)格劃分流程，虎克鉸有限元模型的建立如圖4所示。

圖4 虎克鉸有限元網(wǎng)格劃分

3 加載與分析

這里所討論的機械手主要用于汽車修復(fù)，所受的力基本是自身重力，又因為機械手大約為90kg，自身重力為900N，因此，整體受力分析時施加載荷1000N，方向豎直向下的。確定定位面，將載荷施加在實體上，對虎克鉸進(jìn)行后處理，在X軸、Y軸和Z軸方向上的分力通過有限元軟件自動生成。有限元計算求解完畢后，查看計算的結(jié)果，來判斷和驗證有限元分析是否正確，通過應(yīng)力、應(yīng)變和變形圖來分析機構(gòu)設(shè)計存在的不足。在SolidWorks Simulation分析軟件中，使用顏色來區(qū)分各部件受力以后應(yīng)力、應(yīng)變和形變的發(fā)生情況，這樣可以通過色譜圖直觀地了解模型的受力變化情況。比分析大量復(fù)雜數(shù)據(jù)更加簡便快捷，更好地得到結(jié)果。在色譜圖上，從各數(shù)值由大到小變化對應(yīng)的顏色的變化依次是由紅到藍(lán)逐漸過渡，從紅色到藍(lán)色有各種色帶分布，這里設(shè)定13種[3]。

旋轉(zhuǎn)角度為0°，載荷400N的情況下靜力分析圖如圖5所示。應(yīng)變圖如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)應(yīng)變圖與應(yīng)力圖的顏色變化是完全相同的，也就是應(yīng)力大的地方應(yīng)變也大，最大值為4.01×10-7。根據(jù)圖7顯示的位移圖，發(fā)現(xiàn)虎克鉸的十字軸變形不大，但受力端的變形相對較大，最大值為3.83×10-5mm，從圖7中可以觀察到直接受力的地方變形最大，離固定端越遠(yuǎn)，變形越大[4]。

圖5 虎克鉸應(yīng)力

圖6 虎克鉸應(yīng)變

圖7 虎克鉸位移

4 結(jié)束語

虎克鉸作為并聯(lián)機構(gòu)的一個重要連接件，它帶來的誤差會直接影響機械手的精度。以SolidWorks軟件為平臺，對并聯(lián)機構(gòu)虎克鉸進(jìn)行了分析，為并聯(lián)機械手的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。通過對并聯(lián)五自由度機械手虎克鉸的應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖分析以及整理的數(shù)據(jù)分析，可知虎克鉸是應(yīng)力集中較大部位。也就是說在工作過程中，虎克鉸離固定端越遠(yuǎn)，變形越大，磨損越快，導(dǎo)致虎克鉸使用年限短。虎克鉸鏈應(yīng)力會使機械手變形產(chǎn)生間隙，會引起機械手的機械誤差。應(yīng)力越大，產(chǎn)生的應(yīng)變也就越大，兩者成正比關(guān)系。

[1] 康國政.大型有限元程序的原理、結(jié)構(gòu)與使用[M].2版.成都:西南交通大學(xué)出版社，2008.

[2] 張云杰.UG NX 6.0零件與裝配設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

[3] 李 彬，黃 田，張利敏，等.一種新型五自由度混聯(lián)機械手的概念設(shè)計及尺度綜合[J].中國機械工程，2011，22(16):1900-1905.

[4] 馮志友，張 燕，楊廷力，等.基于牛頓歐拉法的2UPS-2RPS并聯(lián)機構(gòu)你動力學(xué)分析[J].中國機械工程，2009，40(4):193-197.

Five Degrees of Freedom Hybrid Parallel MechanismManipulator Hooke Joint Finite Element Analysis

ZHAOYixuan

(Engineering Training Center,Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China)

根據(jù)機械手虎克鉸的基本工作原理，基于SolidWorks軟件，建立了并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的五自由度混聯(lián)機械手虎克鉸有限元分析方案，并分別針對機械手應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行了有限元分析。研究表明，有限元分析法運用在機械手零部件分析上能夠直觀發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的不足和問題，對于推進(jìn)并聯(lián)機器人技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要的實用價值。

五自由度；有限元分析；虎克鉸

According to Hooke hinge robot basic working principle，the establishment of a universal joint hybrid finite element analysis program based on five degrees of freedom manipulator SolidWorks software for parallel mechanism constituted respectively for robot stress，strain，displacement finite element analysis，research show that the finite element analysis method used in the analysis of robot parts can be found insufficient and intuitive design problems exist. For propulsion engineering applications of parallel robot technology has important theoretical significance and practical value.

five degrees of freedom；finite element analysis；Hooke’ s joint

2014-04-30

貴州理工學(xué)院科學(xué)基金資助項目(XJRW20131201)

TP241

A

1001-2257(2014)09-0060-03

趙藝璇(1990-)，女，貴州遵義人，學(xué)士，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。