基于虛擬樣機的工業機器人末端液壓夾持器的設計

沙鑫美+范真

摘 要：在中國制造2025的大背景下，中國工業機器人或將迎來井噴式發展，傳統的工業機器人設計方法已經不能滿足市場快速變化的需求。為了適應這一新的需求，該文從用虛擬樣機技術的角度出發，利用SolidWorks軟件對工業機器人末端液壓夾持器進行設計研究。

關鍵詞：工業機器人 虛擬樣機 SolidWorks

中圖分類號：TP241.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0001-02

目前，在我國人口紅利減弱的背景下，工業機器人的應用將日益廣泛。尤其是“十三五”期間以及更長時間內，我國將大力實施中國制造2025發展戰略，重在發展高端裝備制造，實施綠色制造、智能制造等科技產業化工程，其中研發智能化、模塊化的機器人單元產品等關鍵技術，對于適應制造業規?；a，提升我國制造業的國際競爭力意義重大。隨著市場競爭的日益激烈，傳統的工業機器人設計方法需要經過圖紙設計、樣機制造、性能測試等繁雜過程，存在研發周期長、成本高、轉型慢等問題。

該文從虛擬樣機的角度出發，利用三維設計軟件SolidWorks對工業機器人末端液壓夾持器的設計過程進行了系統性探索，建立了工業機器人末端液壓夾持器的虛擬樣機模型，并在此基礎上對其進行運動仿真及受力分析，提出了一種高效的基于虛擬樣機技術的工業機器人末端液壓夾持器快速設計方法。

1 虛擬樣機模型的建立

1.1 總體設計方案的確定

根據實際要求制定總體設計方案，確定夾持器主要設計參數如下：夾持工件大?。ㄖ睆溅?0mm）；夾持工件重量（8 kg）；手臂伸縮行程（300 mm）；伸縮速度（120～200 mm/s）；手指回轉范圍（0°～11°）。夾持器的總體結構方案如圖1所示。

夾持器為一倒置的搖桿滑塊結構，其工作原理為：當驅動器推動中心桿向右運動（滑塊上A點向右運動）時，搖桿BC順時針轉動，迫使與支架相連接的手指CD向下，產生加緊動作和夾持力；當中心桿向左移動式（滑塊上A點向左運動）時，搖桿BC逆時針轉動，手指CD向上，實現松開工件。

1.2 零件的結構設計和參數化建模

為滿足設計要求，需分別對夾持器的手指部分、手腕部分以及手臂部分進行受力分析、結構設計及強度校核，并利用SolidWorks軟件進行實體建模，各零件模型如圖2所示。

1.3 夾持器的虛擬裝配

打開新建裝配體命令，在進入生成裝配體的界面后，點擊“插入零部件”命令，插入各零件，如圖3所示。裝配時，先運用“移動零部件”“旋轉零部件”命令將零件拖動至便于配合的合適位置，再根據實際情況在各零件間添加“重合”“平行”“垂直”“距離”“同軸心”等配合約束裝配起來。裝配時應該注意對于有相對運動的零件裝配關系，應保留其獨立運動以構成連接，并消除裝配干涉。裝配成的虛擬樣機如圖4所示。

2 運動學仿真

COSMOSMotion插件是集成在Solidworks中的運動分析和仿真模塊，可對復雜機械系統進行運動學仿真和動態靜力學分析，操作簡單，容易掌握。將夾持器虛擬樣機轉入COSMOSMotion時，裝配約束將自動轉化為仿真模型的約束，添加必要的驅動力、工作阻力，建立仿真模型就可以模擬夾持器運行狀況，并對其進行運動分析。夾持器的運動分為由液壓缸驅動實現的主軸水平平移、由液壓擺動缸驅動實現的主軸旋轉以及由主軸水平平移帶動的夾持臂旋轉運動。仿真過程如圖5所示。

3 夾持器受力分析

目前受力分析的有限元軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MSC等，考慮到夾持器結構較為簡單，為避免不同軟件三維模型轉換帶來的困難，該設計采用了SolidWorks專有的有限元分析模塊SolidWorks Simulation，該模塊使用有限元的位移公式在內部和外部載荷下計算零件的位移、變形和應力，計算后使用直接稀疏求解器或者是迭代求解器對其進行解算。

3.1 夾持器網格劃分

將夾持器樣機模型導入SolidWorks Simulation模塊后，利用Shell Manager工具對夾持器進行網格的劃分。夾持器網格分布如圖6所示。

3.2 夾持器約束施加

夾持器主軸末端主要是受軸承的徑向約束和軸端的軸向約束，夾持器設計的手指類型是V形的，在這個部位受到的夾緊力是由所夾工件的重力而產生的。施加在夾持器上的約束見圖7所示。

3.3 有限元分析結果

（1）夾持器的變形分析。

夾持器受力應變圖如圖8所示，夾持器變形最大處為抓頭部分，最大的變形量是0.463 mm，變形量較小，因此不會對夾持器的工作性能產生影響。

（2）夾持器的應力分析。

夾持器所受應力圖如圖9所示，最大的應力值是221 MPa，產生于拉塊處，但該應力值并未超過夾持器所選材料45號鋼的屈服強度。

4 結語

該文利用SolidWorks軟件建立了工業機器人末端液壓夾持器的虛擬樣機模型，并對其進行了運動仿真及受力分析，提出了一種以虛擬樣機技術為基礎的工業機器人末端液壓夾持器設計方法，不但可以縮短開發周期，而且設計效率也得到了提高。

參考文獻

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