基于Solidworks 的工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)研究

毛麗鳳，楊 昆，林君濠

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

引言

工業(yè)機(jī)器人誕生于20 世紀(jì)50 年代，是一種通過編程或示教實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，具有多關(guān)節(jié)或多自由度，并且具有一定感知功能，如視覺、力覺、位移檢測等，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境和工作對象自主判斷和決策，能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環(huán)境下體力勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人不僅將工人從繁重有害的體力勞動(dòng)中解放出來，還能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競爭力[1]。

Solidworks 軟件是世界上第一個(gè)基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、組件繁多，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD 技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，使得Solidworks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD 解決方案，特別在工業(yè)機(jī)器人工裝設(shè)計(jì)中，其強(qiáng)大的三維建模、模擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、應(yīng)力分析等功能，對后續(xù)開展深入研究具有極大的參考意義。

本研究以手機(jī)上下料工作站工裝夾具設(shè)計(jì)為例，對其模型、裝配、運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力等仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 仿真系統(tǒng)模型建立

工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)選用工業(yè)機(jī)器人ABB IRB120，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)和吸取產(chǎn)品的復(fù)合型夾具，搬運(yùn)產(chǎn)品選為手機(jī)外殼，吸附產(chǎn)品為手機(jī)電池。三維模型系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、法蘭盤、連接桿、汽缸、手指等，利用Solidworks 軟件中的零件建模模塊，可以輕松建模手機(jī)上下料工作站工裝夾具仿真系統(tǒng)的各個(gè)零件，其中工裝夾具中用于搬運(yùn)的末端執(zhí)行器手指零件圖見圖1[2]。

該零件需要先繪制直線、圓、圓弧等二維草圖，再通過拉伸、拉伸切除、異型孔向?qū)У热S建模命令最終完成零件模型。在繪制時(shí)，要充分考慮與汽缸的配合關(guān)系、手機(jī)的尺寸（包括考慮搬運(yùn)時(shí)手機(jī)側(cè)面按鍵不被擠壓），以及手機(jī)外殼上下料時(shí)汽缸和手指的伸縮活動(dòng)范圍，綜合考慮各方面因素，不斷構(gòu)思外觀和修改零件參數(shù)，最終才能設(shè)計(jì)出合理的手指三維零件模型。

按照上述繪制零件的方式，依次繪制出連接桿、夾具、上下料工作臺(tái)等零件，最后運(yùn)用Solidworks 軟件中的模擬裝配模塊，與工業(yè)機(jī)器人本體、汽缸等模型實(shí)現(xiàn)零部件虛擬裝配。本次采用自下而上的裝配體設(shè)計(jì)方式，運(yùn)用此方法完成的工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)模型見圖2。

通過三維模型的建立，可以直觀的將零件的參數(shù)可視化，同時(shí)為工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和評估提供極大便利。

2 模型運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Motion 模塊對零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，本次以夾具手指夾持手機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程為例，分析系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)方案的合理性。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項(xiàng)卡，選擇【SOLIDWORKS Motion】，進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置界面。單擊【馬達(dá)】按鈕，設(shè)置【馬達(dá)】屬性管理器見圖3：馬達(dá)類型選擇線性馬達(dá)，零部件/方向選擇手指內(nèi)側(cè)面，具體見圖4，運(yùn)動(dòng)形式選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，手指作往復(fù)擺動(dòng)。

點(diǎn)擊【編輯】按鈕，對數(shù)據(jù)點(diǎn)具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置見圖5：選擇位移- 時(shí)間參數(shù)，插值類型選擇線性，經(jīng)計(jì)算手指的擺動(dòng)長度為10 mm，可得馬達(dá)位移、速度運(yùn)動(dòng)路線圖[3]。

利用Motion 插件對建立好的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以直觀地顯示夾持手機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程，通過仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，擺脫缺少實(shí)物的限制從而減少資金成本；也可以把運(yùn)動(dòng)過程保存成動(dòng)畫形式方便觀看，可為工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)裝配工藝提供指導(dǎo)方案，便于進(jìn)一步設(shè)計(jì)出最為優(yōu)化的系統(tǒng)模型。

3 模型靜應(yīng)力仿真分析

通過使用Solidworks 軟件的Simulation 模塊對零部件進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算，本次以夾具手指零部件為例，分析系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)手指的靜強(qiáng)度和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)與工作要求[4]。

單擊命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】選項(xiàng)卡，選擇【SOLIDWORKS Simulation】，單擊【新算例】，選擇【靜應(yīng)力分析】。具體參數(shù)設(shè)置分為以下幾個(gè)步驟[5]：

（1） 應(yīng)用材料：選擇AISI 1045 鋼。

（2） 夾具顧問：選擇固定幾何體，固定其中的一個(gè)面，見圖6。

（3） 外部載荷顧問：選擇力，選擇法向力的面，輸入力的大小為100 N，見圖7。

（4） 最后點(diǎn)擊運(yùn)行此算例得到如圖8 所示的靜應(yīng)力分析結(jié)果。

通過靜應(yīng)力分析結(jié)果可得，與汽缸連接部位受應(yīng)力影響較小，手指部位受力不均勻，根部所受應(yīng)力明顯大于端部，其中根部轉(zhuǎn)折處所受應(yīng)力最大，是夾具手指受力的薄弱環(huán)節(jié)。對此，可以對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮在兩端根部轉(zhuǎn)折處添加半徑為10 mm 的圓角，再將此優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用Simulation 插件，重復(fù)上述仿真步驟，優(yōu)化后應(yīng)力仿真結(jié)果見圖9，此時(shí)應(yīng)力分布均勻，證實(shí)此優(yōu)化設(shè)計(jì)可行。

通過使用 SolidWorks 軟件的靜應(yīng)力分析功能，可以查找出各個(gè)零件的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)零件中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步采用改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)方式達(dá)到提高零件強(qiáng)度的作用，最終提升工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)的綜合性能，為后續(xù)開展動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用Solidworks 軟件的零件建模、模擬裝配、Motion 插件、Simulation插件等模塊，依次對手機(jī)上下料工作站工業(yè)機(jī)器人工裝夾具仿真系統(tǒng)進(jìn)行模型建立、運(yùn)動(dòng)仿真分析、靜應(yīng)力分析等，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，大大提升了系統(tǒng)的綜合性能，也為后續(xù)繼續(xù)開展系統(tǒng)研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。