ANSYS和ADAMS在菌落挑取機器人結構設計中的運用

李體仁，周小琦，，楊文林，黃 超

（1.陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021；2.廣州中國科學研究院先進技術研究所，廣東 廣州 511458）

1 引言

微生物基因組研究被評為世界重大科學進展之一，己被廣泛用于農業、醫藥、環保、輕化工等多個重要領域，實驗室探索引領產業化轉變，具有很高的經濟潛力［1］。在眾多的應用中，都會涉及到高通量克隆篩選［2］。然而現如今菌落挑選系統只有國外幾家大公司研發生產，且價格十分昂貴。此外，目前大部分菌落挑選機器人都是三坐標聯動實現安裝在Z軸上的挑針頭的移動，這種模式使得菌落挑選過程中的各個動作必須依次進行，極大的限制了挑取的速度，并且挑針頭上裝配的多個挑針是單獨運作的，使得挑針頭結構復。

另外，現克隆菌落機器人基本只能實現其自身自動化，系統集成自動化能力較低［3-7］。

這里設計了一款轉盤式的菌落挑取機器人，克服了目前市場上菌落挑取機器人存在的以上種種缺陷。轉盤上的挑取機構與兩側的平面移動臺、清洗裝置、加熱器相互配合，實現挑取、接種、清洗、加熱同步進行，極大地提高了挑取速度，使挑針可循環利用，同時結構更加簡單，集成自動化程度高，研發成本更低。并對關鍵部件即挑取機構進行研究，保證本設計在靜載荷下位移變形在誤差范圍內以及從動轉盤在動態情況下運行平穩、準確挑取。

2 菌落挑取機器人結構設計

本設計采用的“轉盤式”的獨特結構，如圖1所示。圓形轉盤上均勻分布10個挑取機構，即轉盤上的10個工位，分度器控制從動轉盤完成36°轉動后定時停歇的間歇性動作，工位1、5、7、8、9的上方都設置一個氣缸，氣缸驅動挑取機構做Z軸方向的運動。

圖1 菌落挑取機器人機械結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Structure of Colony Picking Robot

結構運行過程，如圖2所示。在通過視覺定位模塊確定目標菌落的位置坐標后，控制X、Y平面移動臺1移動培養皿到轉盤工位1，工位1挑取機構開始挑取菌落，挑針挑取到目標菌落后，挑取機構自動回復。

圖2 整體結構設計方案原理Fig.2 Overall Structural Design Principle

經過轉盤幾次停轉到工位5，X、Y平面移動臺2移動96微孔板到工位5，工位5挑取機構將菌落接種到96微孔板中，X、Y平面移動臺2快速晃動從而讓挑針上的菌落脫落，完成菌落的接種。轉盤繼續轉動到工位7、8，這兩個工位都安裝清洗槽，由于轉盤暫停時間固定，而清洗動作是耗時最多的動作，一次清洗不到位達到預期效果，故設置7、8兩個清洗工位，分兩次完成既滿足了時間控制又達到清洗要求。

挑取機構將挑針插入清洗槽中，此時蠕動泵控制清洗液進入清洗槽完成對挑針的清洗。

在清洗之后，轉盤轉動到工位9，這個工位安裝有加熱器，挑取機構將挑針插入到加熱器中，加熱器高溫可以在短時間內對挑針進行滅菌。在完成滅菌后，轉盤再轉動到工位1位置，可以繼續下一輪挑取。

集成自動化實現原理，如圖3所示。該設計方案中培養皿、96微孔板是通過X、Y平面移動臺移動，儀器可以與機器臂、堆板架集成構成自動化實驗模塊，實現培養皿、96微孔板自動換取，同時整個自動化實驗模塊可以與其他模塊進行集成，這樣為實現自動化實驗室提供了條件。

圖3 整體結構設計方案自動化方式Fig.3 Automation of Overall Structural Design Scheme

3 挑取部件的靜力學分析

3.1 氣缸安裝板和轉盤的受力分析

3.1.1 氣缸安裝板的受力分析

氣缸安裝板的受力示意圖，如圖4所示。圖中：T1、T2—固定支撐的支反力；G1—氣缸安裝板的自身重力；F1、F2、F3、F4、F5—氣缸部件的重力。

圖4 氣缸安裝板的受力示意圖Fig.4 Force Diagram of Cylinder Mounting Plate

所以氣缸安裝板的受力可以用下式表示為：

氣缸安裝板采用鋁合金6061，可以估算出其所受重力G1為78.36N，氣缸采用SMC 滑臺氣缸MXQ8A，所以其重量F1為9.13N。

3.1.2 轉盤的受力分析

轉盤的受力示意圖，如圖5所示。其中，T3—中心支撐的支反力；G2、G3—轉盤、挑取機構的重力；F6—氣缸對挑取機構的推力。轉盤上均勻分布10個挑取機構，其中5個位置受到氣缸相同的推力。

圖5 轉盤的受力示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Force on Rotary Table

轉盤的受力情況用下式表示：

轉盤采用鋁合金6061，根據設計的尺寸可以計算出其所受重力G2為105.94N，挑取機構的自身重力G3為5.71N。

氣缸對挑取機構的推力等于挑針到達最低位置時彈簧的壓縮力，可以根據下式表示為：

式中：k—彈簧的剛度系數（N/mm）；x—彈簧的最大形變量（mm）。

壓縮彈簧采用不銹鋼絲SWPB，其剛度系數k為0.236N/mm，彈簧的最大形變量x為70mm，推力F6為16.52N。所以支反力T3等于128.17N。

3.2 基于ANSYS Workbench的有限元分析

氣缸安裝板和轉盤都采用鋁合金6061。將模型導入到ANSYS軟件中，首先設置材料屬性，然后對設置約束和負載，模型劃分網格，最后進行相應的求解［8］。分別求解氣缸安裝板在Z軸方向的應力應變，以及轉盤X、Y和Z向的應變，最終檢驗設計的位移變形在誤差范圍內。

3.2.1 氣缸安裝板的有限元分析

將氣缸安裝板模型導入到ANSYS軟件后，先劃分合適的網格，根據對其的受力分析依次添加約束、載荷，然后求解可以得到氣缸安裝板的應力和位移變形分布，如圖6、圖7所示。

圖6 氣缸安裝板的應力分布云圖Fig.6 Stress Distribution Nephogram of Cylinder Mounting Plate

圖7 氣缸安裝板的Z向位移變形分布云圖Fig.7 Z-Direction Displacement and Deformation Distribution Cloud Diagram of Cylinder Mounting Plate

可得的靜力學分析結果，如表1所示。氣缸安裝板的最大應力為2.63MPa，查表知鋁合金6061的屈服應力為280MPa，取安全系數為2，則氣缸安裝板的許用應力為［σ］=σ/2=140MPa，最大應力遠小于許用應力，所以強度可靠。氣缸安裝板的最大位移變形為0.18mm，由菌落挑取定位精度分析Z向的定位精度為0.5mm，氣缸的定位精度0.2mm，最大位移變形小于0.3mm，所以氣缸安裝板的剛度滿足Z軸定位精度要求。

表1 氣缸安裝板的靜力學分析結果Tab.1 Static Analysis Results of Cylinder Mounting Plate

表2 轉盤的靜力學分析結果Tab.2 Static Analysis Results of Turntable

3.2.2 轉盤的有限元分析

將轉盤模型導入到ANSYS軟件后，先劃分合適的網格，根據對其的受力分析依次添加約束、載荷，然后求解可以得到氣缸安裝板X向、Y向和Z向的位移變形分布，如圖8～圖10所示。

圖8 轉盤X向位移變形云圖Fig.8 X-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

圖9 轉盤Y向位移變形云圖Fig.9 Y-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

圖10 轉盤Z向位移變形云圖Fig.10 Z-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

平面定位誤差主要包括運動定位誤差h1和零部件的位移變形誤差h2，只有位移變形誤差h2與運動定位誤差h1滿足式（7）時，才可保證菌落挑取平面定位精度。

在儀器設計時挑取機構的定位誤差設定值，如表3所示。根據表3給出的設定值，由式（8）可計算出挑針運動定位誤差h1，等于0.076mm。

表3 挑取機構定位誤差設定值Tab.3 Setting Value of Positioning Error

由表2 和式（9）可以計算轉盤的平面位移變形h2，等于0.0032mm。根據以上計算可知，滿足式（7），即就是轉盤的剛度滿足菌落挑取定位精度要求。

式中：h1—挑針運動定位誤差（mm）；h2—轉盤的平面位移變形（mm）；r—挑針在極坐標下的半徑值（mm）；l—挑針在極坐標下半徑定位誤差（mm）；θ—挑針在極坐標下角度定位誤差（度）；?x—轉盤在X方向的位移變形誤差（mm）；?y—轉盤在Y方向的位移變形誤差（mm）。

通過對氣缸安裝板、轉盤的有限元分析，發現其在靜力載荷作用下的位移變形在儀器設計的誤差范圍內，其剛度滿足氣缸在Z向定位以及挑取機構在平面定位的設計要求。

4 菌落分度挑取機構動力學分析

4.1 菌落分度挑取機構理論運動規律設計

在本設計中弧面分度凸輪轉速n為30r/min，由式ω1=2πn/60可以計算出主動軸角速度ω1為πrad/s。弧面分度凸輪的動停比為1，即tf/td=θf/θd=1。由式（10）弧面分度凸輪主動軸分度轉角θf和停歇轉角θd等于180°。由式（11）可得停歇時間等于轉動時間等于1s。

對于本設計中的高速機構，為減小慣性力，改善動力性能，要求無剛性或柔性沖擊在四種從動件的運動規律中選擇正弦加速度運動規律，由此設計凸輪的輪廓。

4.2 菌落分度挑取機構動力學仿真模型

菌落分度挑取機構模型，如圖11所示。首先將菌落分度挑取機構的三維模型以“.X_T”格式文件導入到動力學仿真軟件ADAMS中，構建其動力學仿真模型。在ADAMS軟件中，為模型設置材料屬性，添加重力加速度、定義約束、定義接觸力等［9］。

圖11 菌落分度挑取機構模型Fig.11 Model of Colony Indexing Picking Mechanism

（1）初始設置。定義模型的重力加速度，將弧面分度凸輪和分度盤的材料都設置為steel。

（2）添加約束。將弧面分度凸輪與地面定義旋轉副，分度盤與地面定義旋轉副，分度盤與轉盤定義固定副，分度盤與弧面分度凸輪定義為接觸副。

（3）接觸力定義。為了精確模擬真實弧面分度凸輪的運轉情況，這里需要設置弧面分度凸輪與分度盤之間的接觸力。弧面分度凸輪與分度盤的接觸基本上是單次碰撞，所以采用沖擊函數可以計算。在仿真過程中需要計算接觸剛度。接觸剛度可以用下式計算：

式中：1/R=1/R1+1/R2，R1—凸輪的當量半徑；R2—從動盤滾子的當量半徑。

式中：μ1—弧面分度凸輪的泊松比；μ2—滾子的泊松比；E1—弧面分度凸輪的楊氏模量；E2—滾子的楊氏模量。將參數代入式（12）中計算K等于7.5×105N/mm2。

（4）驅動定義。在凸輪與大地之間的轉動副上添加電機驅動并設置轉速為180°/s。

（5）求解器設置。首先為了能夠更加精確地計算加速度和凸輪與滾子之間的接觸力，這里應該選擇計算精度更高的求解器。積分求解器選擇WSTIFF，積分格式選擇SI2。

4.3 基于ADAMS的動力學仿真分析

根據以上設定，在ADAMS 軟件中進行動力學仿真，在ADAMS 軟件postprocessor 后處理模塊對仿真結果進行分析，最終得到轉盤的角位移、角速度、角加速度變化曲線和弧面分度凸輪機構中分度盤所受的負載轉矩變化曲線，如圖12～圖15所示。

圖12 轉盤的角位移曲線Fig.12 Angular Displacement Curve of Turntable

圖13 轉盤的角速度曲線Fig.13 The Angular Velocity Curve of Turntable

在一個周期內轉盤的角位移、角速度、角加速度的變化曲線，如圖12～圖14所示。在分度時間1s內其角位移為36°，在停歇時間1s內轉盤處于停歇狀態，所以整個位移過程與理論位移完全吻合；角速度是正弦曲線，在分度期中最大角速度達到80°/s，與理論角速度曲線完全符合。與弧面分度凸輪從動件的理論修正正弦加速度運動規律基本符合，最大角加速度達到487°/s2，在后期減速過程中角加速度波動幅度相對較大，主要是由于弧面分度凸輪所拖動的負載轉動慣量與弧面分度凸輪機構自身的慣量相差較大所引起的慣性沖擊。但整個沖擊處于合理范圍，并且很快衰減，在時間為1s左右角加速度基本很快降低為0，與理論角加速度變化情況相符。圖15為弧面分度凸輪機構分度盤所受的負載轉矩變化曲線，其變化趨勢與轉盤的角加速度變化趨勢一致，最大負載轉矩為17N·m。

圖14 轉盤的角加速度曲線Fig.14 Angular Acceleration Curve of Turntable

圖15 分度盤負載轉矩曲線Fig.15 Load Torque Curve of Indexing Plate

根據菌落分度挑取機構的動力學分析仿真結果可以看出，在挑取過程中轉盤的角位移、角速度、角加速度變化情況與理論變化趨勢基本吻合，在起動和停止時刻并沒有出現大的沖擊，從而保證了菌落挑取機構的運行平穩。

5 結論

這里設計了一種可多針同時獨立工作、轉盤式的新型菌落挑選機器人，并對核心的挑取接種模塊進行設計和研究。包括利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對轉盤和氣缸安裝板這兩個直接影響挑取精度的零件進行靜力學分析，以及利用仿真軟件ADAMS對分度盤所受轉矩和與分度盤固定副連接的轉盤的運動結果進行仿真分析。

最終靜力學分析結果表明氣缸安裝板的Z軸定位精度和轉盤的平面定位精度滿足性能要求；動力學仿真結果表明轉盤滿足從動件正弦加速度運動規律。

本設計挑取部件在靜態、動態情況下都能實現運行平穩、準確挑取。