基于ANSYS的抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

朱文強(qiáng)

【摘 ?要】本文主要針對(duì)抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。首先通過三維建模軟件SolidWorks對(duì)機(jī)械手部件進(jìn)行繪制并保存，然后利用ANSYS中 workbench模塊對(duì)模型進(jìn)行導(dǎo)入，并且對(duì)機(jī)械手進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分、局部網(wǎng)格劃分、模擬實(shí)體載荷加入、添加固定約束，對(duì)在機(jī)械手模擬載荷下產(chǎn)生的總變形、等效彈性應(yīng)變、應(yīng)力云圖進(jìn)行對(duì)比分析，找出了該機(jī)械手在機(jī)構(gòu)上最脆弱的位置，并針對(duì)該現(xiàn)象提出了優(yōu)化解決方案。

【關(guān)鍵詞】有限元分析;機(jī)械手;應(yīng)力云圖;優(yōu)化解決

引言

機(jī)械手是一種能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造過程中需要注意以下幾點(diǎn)。對(duì)于機(jī)械手來說外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足生產(chǎn)需要、材料的選取也要滿足強(qiáng)度要求、應(yīng)力集中部位要滿足材料的強(qiáng)度、剛度等的要求。為了避免出現(xiàn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠或者結(jié)構(gòu)存在重大缺陷等問題，所以在實(shí)際加工之前利用有限元軟件對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分有必要的。

本文主要針對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，首先將設(shè)計(jì)的手爪的三維模型利用SolidWorks軟件進(jìn)行繪制，然后結(jié)合ANSYS的workbench的靜定結(jié)構(gòu)分析板塊，通過網(wǎng)格劃分，添加固定約束和外載荷，在考慮安全系數(shù)的前提下在模型上模擬添加最大載荷，并生成應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D等，并且結(jié)合所用材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力部位進(jìn)行分析，得出具有參考價(jià)值的有效結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在工廠的環(huán)境一般是潮濕、高溫的，考慮到機(jī)械手的工作環(huán)境，我們?cè)O(shè)定機(jī)械手的材質(zhì)為不銹鋼，本次模型分析使用的是不銹鋼，其材料屬性為密度是 ，彈性模量為 ，泊松比為 ，拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉屈服強(qiáng)度為2 。機(jī)械手的基本參數(shù)為79mm*70mm*32mm，機(jī)械手爪的基本工作原理是利用手爪的側(cè)面擠壓、并且靠折彎部分托底將需要抓取的工件固定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)要抓取工件的夾緊、搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移，底部的螺栓孔是用于手和機(jī)械臂部分的連接。

2 機(jī)械手建模

利用solidworks繪圖軟件進(jìn)行三維建模。

3 機(jī)械手的靜力學(xué)分析

1）靜態(tài)模塊選擇

選擇：“Static Structural”靜態(tài)分析模塊。

2）材料選擇和屬性設(shè)置

我們所需機(jī)械手的材料是不銹鋼，但是默認(rèn)的材料為結(jié)構(gòu)鋼，所以我們需要進(jìn)行新材料的添加以及相關(guān)的材料屬性設(shè)置。

建立靜態(tài)分析項(xiàng)目后，雙擊模塊中的“Engineering Data”選項(xiàng)進(jìn)行不銹鋼材料的屬性設(shè)置。

3）模型導(dǎo)入

右擊靜力學(xué)分析模塊中的“Geometry”選項(xiàng)，將提前保存為“.x_t”格式的機(jī)械手模型導(dǎo)入到“Mechanical”中，如圖3-4所示：

4）網(wǎng)格劃分

默認(rèn)設(shè)定網(wǎng)格大小及其參數(shù)見圖3-5，數(shù)量不能太少，造成網(wǎng)格比較小，但是網(wǎng)格過小將會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，并且會(huì)造成不必要的計(jì)算機(jī)資源浪費(fèi)，所以鑒于該機(jī)械手結(jié)構(gòu)并不是每個(gè)點(diǎn)都是脆弱的，針對(duì)可能存在的幾個(gè)薄弱部位進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分，經(jīng)過初步分析，兩倒角的位置可能是結(jié)構(gòu)薄弱的地方，所以在兩圓角部位加入局部網(wǎng)格，并且將這兩個(gè)局部網(wǎng)格的大小設(shè)為0.001m。加入局部網(wǎng)格后的圖片見圖3-1。

5）添加載荷和固定約束

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該機(jī)械手設(shè)計(jì)的最大的搬運(yùn)重量為50kg，乘上安全系數(shù)2得100kg，由于兩個(gè)手爪共同完成抓取重物的動(dòng)作，所以每一個(gè)手爪受力大小約為500N，并且在夾緊過程中機(jī)械手爪也會(huì)夾緊工件，所以由于反作用力機(jī)械手爪也會(huì)受到工件一個(gè)向外側(cè)的推力，假設(shè)該推力大小為500N，將兩個(gè)受力加入到模型中，在機(jī)械手模型的四個(gè)螺紋孔位置添加固定約束。

6）添加變形、應(yīng)力、應(yīng)變并進(jìn)行云圖生成

對(duì)于不同載荷下的支架分別添加整體的變形，整體的等效應(yīng)力以及整體的等效應(yīng)變并求解，總變形圖見3-2、等效彈性形變圖見3-3、等效應(yīng)力圖。

4 結(jié)果分析

1）整體變形分析

在多載荷的共同作用下的總變形圖中可以看出，最大變形量為2.728mm，并且最大變形出現(xiàn)的位置在折彎薄壁部位。并且兩個(gè)圓角位置變形量也較周圍的變形量大，與我們?cè)O(shè)立局部網(wǎng)格的位置相同，也證明我們的設(shè)立。

2）彈性形變、應(yīng)力分析

觀察兩種載荷下的等效彈性形變和等效應(yīng)力云圖，不難發(fā)現(xiàn)兩個(gè)圓角部位和四個(gè)螺栓孔的位置有較大的形變和應(yīng)力，通過比較發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中最大的應(yīng)力仍小于我們材料的極限值，所以本次設(shè)計(jì)師合理的，但是圓角部分和四個(gè)螺栓孔的位置應(yīng)該在考慮設(shè)計(jì)的合理性時(shí)需要適當(dāng)?shù)目紤]。

5 方案改進(jìn)

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，結(jié)構(gòu)顯然滿足我們的材料剛度的要求，但是我們也可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在此，我針對(duì)前面的現(xiàn)象提出兩點(diǎn)合理化的改進(jìn)建議。第一，在底部的薄壁部分可以適當(dāng)增加厚度，以減少此處的變形和應(yīng)力。第二，四個(gè)螺栓孔可以增加為六個(gè)，并且設(shè)置均布，用以分散用于固定該機(jī)械手臂的力，可以有效的減少變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾攀.有限元分析基礎(chǔ)教[M].清華大學(xué).2008-12.

[2]曹華軍，舒林森，許磊，李浩.復(fù)雜機(jī)械零件的六面體有限元網(wǎng)格生成方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2014，50（15）：113-118.

[3]宋鵬，胡仁喜，康士廷.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]關(guān)振群，宋超，顧元憲，隋曉峰.有限元網(wǎng)格生成方法研究的新進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2003，15（03）：02-13.

[5]張文志.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006，第1版