基于ANSYS的擠奶機器人末端執行器可靠性研究

常博斌，畢亮亮

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著時代與經濟的快速發展，人們的生活水平在逐年提高，同時對乳制品的需求量越來越大，牧場中半機械化的擠奶作業無法滿足日常的需求，對完全自動化的需求也在逐年提高，更加智能化、高效率的擠奶機器人的引入是必要的。擠奶機器人的引入可以加快牧場智能化的進程，同時牧場擁有擠奶機器人數量的多少也是一個牧場智能化程度的一個重要體現部分。

現在的擠奶機器人以夾持式來夾取奶杯進行套杯擠奶作業，主要的工作的流程是當需要擠奶的奶牛進入到擠奶箱，擠奶機器人上的激光定位系統識別到奶牛，擠奶機器人控制機械臂開始擠奶作業，機械臂運動到相應的位置，夾持器夾取放置在奶杯架上的奶杯，激光定位裝置對奶牛乳房進行實時定位，擠奶機器人控制夾持的奶杯運動到奶牛乳頭的正下方進而進行套杯工作，但是由于現有的擠奶機器人采用的是單夾持式的末端執行器，因此每對一頭奶牛進行擠奶作業，都需要上述步驟的重復，直至4只乳頭全部完成擠奶作業。其中以美國擠奶機器人公司出產的博美特擠奶機器人為代表，其采用工業級6自由度工業機器人為主體，具有相應時間短，工作精度高等優點。

由于采用夾持式的擠奶機器人主要采用單個夾持器進行擠奶作業，每對一頭奶牛進行擠奶作業需要重復四次相同操作，導致其工作效率低。基于TRIZ理論設計了一款具有雙夾持、角度微調節功能的末端執行器，可以根據不同奶牛乳頭的形狀進行調整兩相互垂直的舵機，再通過調節底部的絲桿滑塊，可以實現適應不同間距、不同姿態的牛乳房，如圖1所示。末端執行器主要負責夾取奶杯架上奶杯對進入擠奶箱的奶牛進行套杯作業。為保證套杯作業成功，套杯時需奶杯位于乳頭的正下方與奶牛乳頭同軸心。通過激光定位裝置對奶牛乳頭的位置進行實時定位，具有雙夾持和可微調節控制的末端執行器舵機和底部的電機實時進行角度調節和兩夾持器間距大小調節，始終保證兩個夾持的奶杯和奶牛乳頭同軸心，可以顯著提高擠奶機器人的套杯率。末端執行器作為擠奶作業中最重要的組成，如果發生故障會導致擠奶作業停滯，則會給牧場帶來經濟損失，因此對其可靠性進行研究是必要的[1]。

1 末端執行器靜力學分析

靜力學分析是一個產品在設計制造過程中一個必備的過程，主要采用有限元法進行相應的分析求解。有限元法是用數學近似的方法來模擬實際中真實的載荷，對其進行單元格的劃分，在劃分的單元節點之間添加相應的載荷進行計算。是將一個連續的無限自由度的問題轉化為離散的有限自由度問題。在有限元中，計算量會隨著網格的增多而增多。其基本思想是把想要分析的整體結構進行離散化，再通過對離散化計算分析，得到能滿足工作精度的近似結果來代替對實體結構的分析。其中以ANSYS的最為廣泛，運用ANSYS中的Workbench模塊對擠奶機器人的關鍵結構末端執行器進行有限元分析。

圖1 末端執行器模型

末端執行器在擠奶作業時，需要承載整個奶杯以及相對應部分輸奶管的重量，同時在識別到乳頭進行套杯時，需要奶杯上頂的過程以便于奶杯的真空系統可以在擠奶作業過程中更好的吸附住奶牛的乳頭，防止發生擠奶作業時奶杯意外脫落的風險，上頂的過程也需要對末端執行器施加一定的力，氣動夾持器以及下方的兩個轉向舵機是主要的承受件這就要求整個末端執行器要有一定的強度，來滿足擠奶作業要求。末端執行器上氣動夾手選用普通的鋁合金材料，舵機主體的材料選用結構鋼，末端執行器中最重要的夾片采用304不銹鋼，可以更好的防止日常潮濕環境對奶杯夾片性能的影響。同時為了減輕整個末端執行器的重量，其中的連接件選用高強度鋁合金材料，其力學性能如表1所示。

表1 末端執行器材料力學性能

將基于SolidWorks建立的末端執行器模型導入Workbench中進行有限元分析，在軟件中選擇添加靜力學模塊Static Stuctural[2]。完善材料庫中所選用材料的各類性能參數，其中彈性夾片的材料選用0Cr18Ni9，夾手本體部分以及舵機的支撐框架的材料選用6061鋁合金，其余部分選用普通結構鋼材料，全局網格采用自動劃分原則，網格單元尺寸設置為2mm，設置相關度“Relevance”數值為90，得到了細致均勻的網格化，網格劃分的總單元數量為280789，節點數量為173979繪制完的網格共個模型并對末端執行器上最下部分的轉向舵機底部施加固定約束，彈性夾片的內端面是夾取奶杯作業的端面，因而對末端執行器上彈性夾片內部端面處施加30N的極限載荷來進來仿真，最后得到相應的變形云圖和應變圖以及應力圖。求解后結果如圖2所示。

圖2 末端執行器仿真分析結果圖

由圖2末端執行器仿真分析結果可知：（1）末端夾持器最大的形變量集中在夾持片上，最大形變量為0.30368mm，最大的應變量為0.00069mm。（2）末端夾持器最大的應力為45.52MPa，位于兩個旋轉舵機的連接件處，遠小于末端執行器上選用材料的許用應力，滿足日常擠奶作業需求。

2 末端執行器模態分析

模態分析可以得到設備的固有頻率即共振頻率及設備在這些共振頻率下的形變情況，是對其他動力學分析的基礎[3]。因而對末端執行器進行模態分析是保證擠奶機器人可靠運行的必要手段。

結合靜力學中的材料參數，對末端執行器進行模態分析[4]，將三維模型導進ANSYS中的model模塊，設置好參數好然后進行網格劃分為2mm，劃分成功后進行求解，在最下方的舵機支架上添加固定約束，進行前4階模態分析，前兩階模態分析如圖3所示。

圖3 末端執行器的振型圖

運用ANSYS中的模態模塊可以看出在4階模態中，如表2所示。其可以觸發的最低階的的振動固有頻率為115.11Hz，觸發的最高的振動固有頻率為343.21 Hz，末端執行器在1階模態時，末端執行器的整體發生左右擺動，其幅度范圍較??；主要集中在末端執行器的上端位置，末端執行器最大的變形范圍集中在彈性夾片以及和彈片連接的氣動夾持器上端位置；末端執行器在2階模態時的固有頻率為121.86Hz，末端執行器的整體發生前后方向的擺動，擺動以兩轉動舵機的連接處為中心進行，其幅度范圍較?。恢饕性谀┒藞绦衅鞯纳习氩糠治恢?，末端執行器最大的變形范圍集中在彈性夾片的位置；末端執行器在3階模態時的固有頻率為317.83Hz，末端執行器的整體發生左右方向的擺動，擺動以兩轉動舵機的連接處為中心進行，主要集中在彈性夾片上，發生左右擺動其幅度范圍較大；，末端執行器最大的變形范圍集中在彈性夾片前段的位置；末端執行器在4階模態時的固有頻率為343.21Hz，末端執行器發生左右方向的張合扭轉，擺動以氣動夾持器與兩彈性夾片的連接處為中心進行，主要集中在彈性夾片上，發生左右張合扭轉幅度較大，末端執行器最大的變形范圍集中在彈性夾片前段的位置。

末端執行器在日常擠奶作業中，末端執行器受的角度調節舵機和底部伺服電機的振動沖擊，這些為低頻振動沖擊，在進行模態分析時可以僅考慮低階固有頻率和振型的影響，因此只計算前4階模態。

由表2可以看出，末端執行器的1階固有頻率115.11Hz，末端執行器在工作中無法觸發其1階模態振型，因此可以認為末端執行器的動態特性也滿足要求。

表2 末端執行器4階模態表

3 結束語

運用ANSYS有限元分析軟件對擠奶機器人的關鍵部分末端執行器進行靜力學仿真分析和模態仿真分析，得到以下成果：

（1）擠奶機器人的末端執行器最大變形量為0.30368mm集中在彈性夾片上；最大應力為45.52MPa，集中在兩旋轉舵機的連接處，其極限載荷時的最大應力遠小于選用材料的許用應力，靜態強度滿足要求。

（2）末端執行器在日常擠奶作業時無法觸發其1階模態振型，因此末端執行器的動態特性也滿足要求。仿真結果為后期擠奶機器人的結構設計提供了理論依據。