李　輝，黃文權(quán)，李開世

(四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢　643000)

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Workbench實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人瞬態(tài)動力學(xué)分析應(yīng)用研究*

李輝，黃文權(quán)，李開世

(四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢643000)

以六自由度工業(yè)機(jī)器人為研究對象，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜運(yùn)動條件下的動態(tài)有限元分析為目標(biāo)。將SolidWorks中建立的三維模型和在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動分析的結(jié)果同時(shí)導(dǎo)入Workbench中，快速實(shí)現(xiàn)了在Workbench中使工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)按照預(yù)定規(guī)劃進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。這種快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動的有限元分析方法與傳統(tǒng)通過計(jì)算進(jìn)行有限元仿真分析相比，該方法不需要計(jì)算并且充分的考慮了機(jī)械結(jié)構(gòu)和慣性力等因素，這使仿真方法更加簡便，結(jié)果更加可靠，同時(shí)分析的環(huán)境更加接近真實(shí)的工作要求。

快速有限元；工業(yè)機(jī)器人；瞬態(tài)動力學(xué)

0　引言

有限元分析技術(shù)是機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，是對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化、安全評估和受力分析等一系列設(shè)計(jì)的重要手段。瞬態(tài)動力學(xué)分析是動力學(xué)分析的重要組成部分，同模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析相比，綜合考慮了結(jié)構(gòu)和慣性力等因素，使分析結(jié)果更接近于系統(tǒng)的真實(shí)情況，對設(shè)計(jì)和校核更具有指導(dǎo)意義[1]。

圖1　六自由度機(jī)器人模型

工業(yè)機(jī)器人作為一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備，近年來在社會生產(chǎn)中起到越來越重要的作用[2]。六自由度機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡便、運(yùn)動靈活等優(yōu)勢，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。文中以六自由度機(jī)器人為研究對象，在ADAMS中對工業(yè)機(jī)器人的第二、第三關(guān)節(jié)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)規(guī)劃，并將規(guī)劃的結(jié)果運(yùn)用在了Workbench瞬態(tài)動力學(xué)仿真上，成功地實(shí)現(xiàn)了六自由度機(jī)器人在復(fù)雜運(yùn)動條件下的有限元仿真。

1　模型的確立

Workbench的建模功能雖然比較強(qiáng)大，但是在建立復(fù)雜的三維模型方面還是比較困難，因此選用SolidWorks進(jìn)行三維建模[4]。為減少Workbench中的運(yùn)算的結(jié)點(diǎn)數(shù)，將末端機(jī)械手改為負(fù)荷設(shè)為4kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，得到的模型如圖1所示。

2　傳統(tǒng)計(jì)算有限元分析

2.1受力分析

在六自由度機(jī)器人運(yùn)動過程中，當(dāng)機(jī)械臂處于水平狀態(tài)時(shí)，是機(jī)械臂受力的極限情況，此時(shí)機(jī)械臂受力最大、變形最大[5-8]。通過SolidWorks的質(zhì)量屬性功能和測量功能得到其在極限位置狀態(tài)的受力和尺寸如圖2所示。設(shè)計(jì)中用到的材料如表1所示。

圖2　最危險(xiǎn)狀態(tài)

材料密度(kg/m3)彈性模量(Pa)泊松比屈服強(qiáng)度(Pa)45#鋼78002.1E110.33.25E8鋁合金27807.2E100.322.8E8

在材料選取上，除機(jī)座采用45#鋼外，其它都采用鋁合金。其中，圖2中G1、G2、G3分別為大臂、小臂和末端砝碼的重量97.4187644N、63.1348908N、39.2264N，L1=528.16mm,L2=930mm,L3=696.76mm,L4=1198.91mm。

2.2大臂受力計(jì)算

大臂在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中受力相對復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)中選取大臂為研究對象，根據(jù)受力情況列出計(jì)算公式為：

F2=G3+G2F1=F2+G1

M2=G3×L4+G2×L3

M1=M2+F2×L2+G1×L1

通過計(jì)算可知：

F2=102.3612908N

F1=199.7800552N

M2=39.2×1.19891+63.0924×0.69676 =

91.018789737808N·m

M1=91.02+102.4×0.93+97.42×0.52816=

237.668N·m

2.3大臂有限元分析

根據(jù)大臂的受力分析及其載荷計(jì)算結(jié)果，在Workbench中對大臂相應(yīng)位置施加約束和集中力載荷，經(jīng)過計(jì)算可以得到其應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果，其中大臂受到的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3　大臂應(yīng)力分布

通過分析受力結(jié)果可得到整體的應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力值(9.3583e6Pa)。該分析結(jié)果將與后續(xù)快速有限元分析進(jìn)行對比，以確定該方法的正確性。

3　快速有限元分析

為實(shí)現(xiàn)裝配體在不需要通過計(jì)算、受力加載和約束定義，便能得到真實(shí)運(yùn)動條件下的受力分析。研究中只需通過在ADAMS中運(yùn)用STEP函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Workbench中相對應(yīng)的各關(guān)節(jié)，并對裝配體施加外力和重力，便能進(jìn)行有限元分析。這種方法不需要計(jì)算，并考慮慣性力和各零件間的連接關(guān)系，使瞬態(tài)動力學(xué)分析更簡便、快速和準(zhǔn)確。

3.1ADAMS 運(yùn)動學(xué)仿真

運(yùn)用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析是實(shí)現(xiàn)快速有限元分析的基礎(chǔ)。在ADAMS中的運(yùn)動分析規(guī)劃將使工業(yè)機(jī)器人從圖1的起始位置，運(yùn)動通過圖2的最危險(xiǎn)位置。在ADAMS中對第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃后將得到兩關(guān)節(jié)的角度轉(zhuǎn)動值，將這些值導(dǎo)入Workbench中，使其在瞬態(tài)動力學(xué)分析中對第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動。

運(yùn)用STEP函數(shù)分別對第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副定義運(yùn)動方式。

第二關(guān)節(jié)：

step(time,0,0,1,0)+step(time,1,0,2,pi/45)

第三關(guān)節(jié)：

step(time,0,0,1,pi/45)+step(time,22.5,0,23.5,-pi/45)

根據(jù)上述設(shè)定得到工業(yè)機(jī)器人末端在ADAMS中運(yùn)行的速度如圖4所示。

圖4　機(jī)械臂末端速度

3.2.xlm格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出

ADAMS中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式一般為excel格式或者是文本文檔，但是目前Workbench僅識別.xlm格式文件，這就需要對得到數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(1)ADAMS文本文檔保存

在ADAMS中選定關(guān)節(jié)【Motion】→右擊→【measure】→【MOTION-1】→【Ax/Ay/Az Projected Rotation】→【apply】在得到的圖上右擊→【Plot:scht1】→【Transfer To Full Plot】→在彈出來的窗口中選擇→【File】→【Export】→【Spread sheet】→將數(shù)據(jù)存為文本文檔。

(2).xlm數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

將生成的文本文檔數(shù)據(jù)保存到已生成的.xlm文件中，將完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其結(jié)果如圖5所示。

圖5　.xlm格式文件

3.3Workbench導(dǎo)入ADAMS數(shù)據(jù)

以第二關(guān)節(jié)為例，將生成的.xlm文件導(dǎo)入Workbench中,其導(dǎo)入方式如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)導(dǎo)入Workbench

3.4Workbench瞬態(tài)動力學(xué)分析

(1)為了驗(yàn)證ADAMS中的數(shù)據(jù)是否成功導(dǎo)入了Workbench中[9-10]，將通過將ADMAS中工業(yè)機(jī)器人末端測量的速度(圖4所示)與Workbench中末端測量的速度(圖7所示)相比較，從而進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7　機(jī)械臂末端速度

通過圖4與圖7的結(jié)果比較可知，工業(yè)機(jī)器人在Workbench和在ADAMS中末端速度一致，證明了ADAMS中仿真的數(shù)據(jù)成功地導(dǎo)入了Workbench中，實(shí)現(xiàn)了二者的聯(lián)合仿真成功。

(2)為了驗(yàn)證這種方法的可靠性，以工業(yè)機(jī)器人的大臂為參考，將得到的大臂應(yīng)力分布(圖8所示)與通過計(jì)算，再進(jìn)行仿真的結(jié)果(圖3所示)相比較來確定這種方法分析結(jié)果的可靠性。

圖8所示應(yīng)力最大值為9.2089e6Pa,整個(gè)受力最大值及受力的分布與圖3所示基本一致。雖然兩次仿真結(jié)果存在一定的差異這主要與兩次求解所用的求解器、網(wǎng)格劃分、固定方式和力的加載不同有關(guān)。同時(shí)，這種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動體的有限元仿真分析方法還考慮了結(jié)構(gòu)體間的相互影響和慣性力等因素。

圖8　大臂應(yīng)力分布

4　結(jié)論

該方法采用ADAMS和Workbench對六自由度機(jī)器人進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到了各機(jī)械臂在真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)下的受力變化情況，避免了傳統(tǒng)通過計(jì)算、加載受力和施加約束關(guān)系再進(jìn)行有限元分析的繁瑣。分析中充分考慮了機(jī)械結(jié)構(gòu)本體、慣性力和各零件間的配合關(guān)系等因素，同時(shí)避免了傳統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)分析中因計(jì)算出錯而導(dǎo)致的分析錯誤。這種方法能快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)裝配體在復(fù)雜運(yùn)動條件下的有限元分析，適用于對受力分析困難和運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜的裝配體進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。

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(編輯李秀敏)

Application Study of Workbench in Industrial Robots Transient Dynamic Analysis

LI Hui, HUANG Wen-quan,LI Kai-shi

(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong Sichuan 643000, China)

In order to achieve the goal of finite element analysis for complexmovement, using the six-DOF robot as example. Import 3-D model of SolidWorks and ADAMS kinematic analysis data into Workbench, it is successful to make the joints move as the goal set and finish the transient dynamics analysis. When compared this new method with the traditional calculate method, this new one’s method is easier and the results are more reliable, because the mechanical structure ,inertial force and so on are considered in this method, so the simulation environment is more true.

rapid finite element analysis; industry robot;transient dynamic

1001-2265(2015)11-0030-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.009

2015-02-03；

2015-03-10

過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(GK201003)

李輝(1988—)，男，四川綿陽人，四川理工學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，(E-mail)1033502414@qq.com;通訊作者：黃文權(quán)(1970—)，男，四川自貢人，四川理工學(xué)院副教授，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)，面向成本設(shè)計(jì)和制造業(yè)信息化，(E-mail)hwqsc@163.com。

TH166;TG65

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