機器人大臂機構的動(dòng)力學(xué)研究

機械設計與制造第4期146Machinery Design Manufacture2011年4月文章編號:1001-3997(2011)04-0146-02機器人大臂機構的動(dòng)力學(xué)研究薄少軍(內蒙古科技大學(xué)包頭014010)Dynamic analysis of the big arm of robot(Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)【摘要]采用虛擬樣杋技術(shù),準確地測算出機器人大臂機構在整個(gè)運動(dòng)周期中各關(guān)節的動(dòng)力學(xué)參數,進(jìn)而采用有限元方式對主要構件進(jìn)行了受力分析,對初步設計結果得出了準確的判斷,并對存在的問(wèn)題進(jìn)行修正關(guān)鍵詞:機器人;虛擬樣機;有限元;分析(Abstract] In the course of developing the virtual prototype of the robot, the virtua! prototype tech-nique was applied to accurately calculate some motion parameters and kinetic parameters of each motionint f finite method was applied to make stress analysis to the main components of the robot and directlyerify some designing content about the robot, then accurate appraisement to primary design result was con-cluded, existing problems were timely found and resolved.Key words: Robot; Virtual prototype; Finite-element method; Analysis中圖分類(lèi)號:TH6文獻標識碼:A1引言真之前,通過(guò)擅長(cháng)復雜零件建模的軟件UG進(jìn)行三維建模。由于在機器人大臂機構的設計過(guò)程中,零件的結構形狀及尺寸G和 ADAMS之間能夠接進(jìn)行數據傳輸,這樣就可直接將在一般是根據簡(jiǎn)單的靜力學(xué)計算或經(jīng)驗而來(lái)缺乏更為可靠的理論UG中構建的實(shí)體模型輸入到 ADAMS中進(jìn)行分析。依據,因此機構結構并不一定合理合理可能未必達到最優(yōu)。為解21仿真模型決這一問(wèn)題我們采用虛擬樣機技術(shù)和有限單元法。在為機器人通過(guò)以下過(guò)程為機器人建立動(dòng)力學(xué)仿真模型"(1)機器人實(shí)體建模后采用 ADAMS軟件的系統仿真方法得到了機器人模型在UG建好模以后,將模型從UG中導入到 ADAMS中;(2)各節點(diǎn)在整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中的受力曲線(xiàn)得出在最危險狀態(tài)下的受在 ADAMS運行環(huán)境下,修改和完善模型,同時(shí)設置工作環(huán)境包力值。根據最危險狀態(tài)下的受力值,利用 PATRANNASTRAN軟括設置T作網(wǎng)格、重力以及修改構件的質(zhì)量等;(3)完成給構件施件對大臂部分的四連桿機構進(jìn)行了有限元分析。加旋轉副、移動(dòng)副以及高副約束等;(4)給仿真模型施加移動(dòng)、轉動(dòng)等運動(dòng)驅動(dòng)方式:(5)給模型施加外載荷包括力和力矩;(6)在2建模與分析對虛擬樣機裝配結束后檢查樣機裝配的正確性;(7)確定對仿真在 ADAMS進(jìn)行運動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)求解時(shí)重點(diǎn)是考慮零件的模型的運動(dòng)測量?jì)热?主要包括角度速度和加速度力的測量質(zhì)心和質(zhì)量。為了得到零件的準確質(zhì)量和質(zhì)心,在用 ADAMS仿根據不同的要求,可以輸出仿真結果★來(lái)稿日期:201006-28*基金項日:內蒙古科技大學(xué)創(chuàng )新基金(2009NC030)在磨痕的邊緣或有缺陷的小范圍產(chǎn)生較少的裂紋。TC-TiB2陶瓷粒細小且引入增韌機制的陶瓷有更強的抵抗裂紋擴展的能力。表面的裂紋細長(cháng)有少量分叉現象具有一定的方向性為以穿晶參考文獻斷裂為主兼有沿品斷裂的混合模式1周玉陶瓷材料學(xué)(第二版)M]北京:科學(xué)出版社,20042安閣英鑄件形成理論[M]北京:機械工業(yè)出版社,19896結論3 Minowa K, Sumino K Stress induced amorphization of a silicon crystal by根據理論分析和實(shí)驗觀(guān)察得出以下結果(1)陶瓷材料在燒mh路Brum,903032結時(shí)存在內部缺陷和初始裂紋源另外削時(shí)由于磨粒的作用也5 Kawkubo TOkable NStatie and cyclic fatigue behaviour in ceramics. It會(huì )使陶瓷材料產(chǎn)生裂紋源(2)裂紋的擴展不僅與材料的機械物理性能有關(guān)還與初始裂紋源的分布數有密切相關(guān)。初始裂紋6MH中國煤化工726多,晶粒強度低,晶間結合力小處裂紋容易擴展并發(fā)生偏轉、分ContCN MH GIntemational Conference onRobotics& Automation SanFrancisco, 2000(8)支和橋聯(lián)等形式使得材料中裂紋的擴展旱現不連續性。(3)陶瓷7 ASHegazicomparison Between Conventional And High Speed Milling Pro-材料的磨削裂紋形成和擴展,材料的內部結構也是影響因素。晶cesses. Joumal of Engineering and Applied Science, 2006(1 45-61第4期薄少軍:機器人大臂機構的動(dòng)力學(xué)研究在 ADAMS運行環(huán)境下建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示。略部件的重力所施加到四桿構件的力和力矩,一些小的零部件忽略不計;第二部分載荷是機器人工作時(shí)的負載,這個(gè)力由試驗測得(4)材料設置構件所用材料均為6Mm,其屈服極限o=410MPa,取安全系數n,=17則許用應力=ms=241Mpu,彈性模量E=210GPa,泊松比y=0.3,材料密度p=7800kgm圖1動(dòng)力學(xué)模型22大臂機構各關(guān)節點(diǎn)上力的測量圖4有限元模型如圖2所示,大臂的活動(dòng)范圍為(-29.71)(為通過(guò)連32構件的應力分析桿1與水平線(xiàn)的夾角),通過(guò)對一個(gè)完整的運動(dòng)周期的仿真,使用連桿1在整個(gè)受力過(guò)程中是非常重要的如圖5所示。初始軟件的虛擬傳感器功能分析可知,當=(-14)時(shí),大腎四連桿機方案設計時(shí)的最大受力發(fā)生在中部鉸點(diǎn)處,達到272MPa,在中構的受力狀態(tài)最危險,對應于該狀態(tài)可測量出構件的受力值。部紋點(diǎn)下部拐角處應力最大值達到254MHh,兩者顯然都已超過(guò)材料的許用應力,為此我們對初始的板厚尺寸增加了20%,以確保其工作可靠性。其余各構件的最大應力均小于材料的許用應力o,是安全的。篇幅所限,不再贅述。2連桿1與水平線(xiàn)間的夾角情況3有限元分析各構件的強度、剛度和穩定性是在進(jìn)行設計時(shí)必須要考慮圖5連桿1的應力云紋圖的因素通過(guò)有限元分析,可得出各個(gè)構件的應力應變和整體的4結論結構變形,從而為優(yōu)化設計提供了科學(xué)依據。大臂機構中承受主(1)在LG中對機器人進(jìn)行建模,既可以實(shí)現機器人的零件要載荷的部分,如圖3所示與部件的有效性檢驗而且其模型可以無(wú)障礙導入仿真分析軟件中.可為機器人的力學(xué)分析工作創(chuàng )造良好條件:(2)利用虛擬傳感器準確測量并直觀(guān)檢查機構各個(gè)運動(dòng)部件的位置關(guān)系、速度關(guān)系、關(guān)節受力規律等,克服了傳統的D-H算法復雜效率低、精度差的缺點(diǎn),提高了設計精度,拓寬了研究范圍:(3)采用有限單元法進(jìn)行分析能夠找到機器人可能存在的薄弱環(huán)節,并且得以修圖3四桿機構簡(jiǎn)圖,使得設計更加科學(xué)3.1機構的有限元模型參考文獻在模型的建立過(guò)程中完成了以下T作內容s薄少軍中型噴漿機器人動(dòng)力學(xué)研究[D青島:山東科技大學(xué)機器人研究(1)結構離散按照“均勻應力粗劃,應力梯度大的細劃”原2維光愣,李伯虎,榮旭東擬樣機技術(shù)門(mén)系統傷真學(xué)報,201(1)則用四邊形和三角形的板殼單元對機構進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元3 Changzhi. Zhonghua D. Xingui W. Research on dynamic simulation of field格如圖4所示。machAnA MS ILProceedingsof the Intemational Symposium(2)約束的確定應用動(dòng)態(tài)問(wèn)題靜態(tài)化的原則認為在鉸接處4余峰中國煤化工七研究[M蘭州:蘭州理工A、BC、E只有一個(gè)轉動(dòng)而限制了其移動(dòng)自由度和其它兩個(gè)方向大學(xué)CNMHG的轉動(dòng)自由度。在FDG處則認為是剛性連接;5 Darl Logan法杯礎教程M北京:電子工業(yè)出版社,2036 Tony LSchmitz, John Ciegert, SUzanne Canning. Raul Zapata. Case stud(3)外加載荷的確定外加載荷分為二個(gè)部分第一部分是所省 A comparison of error sources in high-speed milling00)12613