机器人大臂机构的动力学研究

机械设计与制造第4期146Machinery Design Manufacture2011年4月文章编号:1001-3997(2011)04-0146-02机器人大臂机构的动力学研究薄少军(内蒙古科技大学包头014010)Dynamic analysis of the big arm of robot(Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)【摘要]采用虚拟样杋技术,准确地测算出机器人大臂机构在整个运动周期中各关节的动力学参数,进而采用有限元方式对主要构件进行了受力分析,对初步设计结果得出了准确的判断,并对存在的问題进行修正关键词:机器人;虚拟样机;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中图分类号:TH6文献标识码:A1引言真之前,通过擅长复杂零件建模的软件UG进行三维建模。由于在机器人大臂机构的设计过程中,零件的结构形状及尺寸G和 ADAMS之间能够接进行数据传输,这样就可直接将在一般是根据简单的静力学计算或经验而来缺乏更为可靠的理论UG中构建的实体模型输入到 ADAMS中进行分析。依据,因此机构结构并不一定合理合理可能未必达到最优。为解21仿真模型决这一问题我们采用虚拟样机技术和有限单元法。在为机器人通过以下过程为机器人建立动力学仿真模型"(1)机器人实体建模后采用 ADAMS软件的系统仿真方法得到了机器人模型在UG建好模以后,将模型从UG中导入到 ADAMS中;(2)各节点在整个运动过程中的受力曲线得出在最危险状态下的受在 ADAMS运行环境下,修改和完善模型,同时设置工作环境包力值。根据最危险状态下的受力值,利用 PATRANNASTRAN软括设置T作网格、重力以及修改构件的质量等;(3)完成给构件施件对大臂部分的四连杆机构进行了有限元分析。加旋转副、移动副以及高副约束等;(4)给仿真模型施加移动、转动等运动驱动方式:(5)给模型施加外载荷包括力和力矩;(6)在2建模与分析对虚拟样机装配结束后检查样机装配的正确性;(7)确定对仿真在 ADAMS进行运动学动力学求解时重点是考虑零件的模型的运动测量内容,主要包括角度速度和加速度力的测量质心和质量。为了得到零件的准确质量和质心,在用 ADAMS仿根据不同的要求,可以输出仿真结果★来稿日期:201006-28*基金项日:内蒙古科技大学创新基金(2009NC030)在磨痕的边缘或有缺陷的小范围产生较少的裂纹。TC-TiB2陶瓷粒细小且引入增韧机制的陶瓷有更强的抵抗裂纹扩展的能力。表面的裂纹细长有少量分叉现象具有一定的方向性为以穿晶参考文献断裂为主兼有沿品断裂的混合模式1周玉陶瓷材料学(第二版)M]北京:科学出版社,20042安阁英铸件形成理论[M]北京:机械工业出版社,19896结论3 Minowa K, Sumino K Stress induced amorphization of a silicon crystal by根据理论分析和实验观察得出以下结果(1)陶瓷材料在烧mh路Brum,903032结时存在内部缺陷和初始裂纹源另外削时由于磨粒的作用也5 Kawkubo TOkable NStatie and cyclic fatigue behaviour in ceramics. It会使陶瓷材料产生裂纹源(2)裂纹的扩展不仅与材料的机械物理性能有关还与初始裂纹源的分布数有密切相关。初始裂纹6MH中国煤化工726多,晶粒强度低,晶间结合力小处裂纹容易扩展并发生偏转、分ContCN MH GIntemational Conference onRobotics& Automation SanFrancisco, 2000(8)支和桥联等形式使得材料中裂纹的扩展旱现不连续性。(3)陶瓷7 ASHegazicomparison Between Conventional And High Speed Milling Pro-材料的磨削裂纹形成和扩展,材料的内部结构也是影响因素。晶cesses. Joumal of Engineering and Applied Science, 2006(1 45-61第4期薄少军:机器人大臂机构的动力学研究在 ADAMS运行环境下建立的动力学仿真模型如图1所示。略部件的重力所施加到四杆构件的力和力矩,一些小的零部件忽略不计;第二部分载荷是机器人工作时的负载,这个力由试验测得(4)材料设置构件所用材料均为6Mm,其屈服极限o=410MPa,取安全系数n,=17则许用应力=ms=241Mpu,弹性模量E=210GPa,泊松比y=0.3,材料密度p=7800kgm图1动力学模型22大臂机构各关节点上力的测量图4有限元模型如图2所示,大臂的活动范围为(-29.71)(为通过连32构件的应力分析杆1与水平线的夹角),通过对一个完整的运动周期的仿真,使用连杆1在整个受力过程中是非常重要的如图5所示。初始软件的虚拟传感器功能分析可知,当=(-14)时,大肾四连杆机方案设计时的最大受力发生在中部铰点处,达到272MPa,在中构的受力状态最危险,对应于该状态可测量出构件的受力值。部纹点下部拐角处应力最大值达到254MHh,两者显然都已超过材料的许用应力,为此我们对初始的板厚尺寸增加了20%,以确保其工作可靠性。其余各构件的最大应力均小于材料的许用应力o,是安全的。篇幅所限,不再赘述。2连杆1与水平线间的夹角情况3有限元分析各构件的强度、刚度和稳定性是在进行设计时必须要考虑图5连杆1的应力云纹图的因素通过有限元分析,可得出各个构件的应力应变和整体的4结论结构变形,从而为优化设计提供了科学依据。大臂机构中承受主(1)在LG中对机器人进行建模,既可以实现机器人的零件要载荷的部分,如图3所示与部件的有效性检验而且其模型可以无障碍导入仿真分析软件中.可为机器人的力学分析工作创造良好条件:(2)利用虚拟传感器准确测量并直观检查机构各个运动部件的位置关系、速度关系、关节受力规律等,克服了传统的D-H算法复杂效率低、精度差的缺点,提高了设计精度,拓宽了研究范围:(3)采用有限单元法进行分析能够找到机器人可能存在的薄弱环节,并且得以修图3四杆机构简图,使得设计更加科学3.1机构的有限元模型参考文献在模型的建立过程中完成了以下T作内容s薄少军中型喷浆机器人动力学研究[D青岛:山东科技大学机器人研究(1)结构离散按照“均匀应力粗划,应力梯度大的细划”原2维光愣,李伯虎,荣旭东拟样机技术门系统伤真学报,201(1)则用四边形和三角形的板壳单元对机构进行网格划分。有限元3 Changzhi. Zhonghua D. Xingui W. Research on dynamic simulation of field格如图4所示。machAnA MS ILProceedingsof the Intemational Symposium(2)约束的确定应用动态问题静态化的原则认为在铰接处4余峰中国煤化工七研究[M兰州:兰州理工A、BC、E只有一个转动而限制了其移动自由度和其它两个方向大学CNMHG的转动自由度。在FDG处则认为是刚性连接;5 Darl Logan法杯础教程M北京:电子工业出版社,2036 Tony LSchmitz, John Ciegert, SUzanne Canning. Raul Zapata. Case stud(3)外加载荷的确定外加载荷分为二个部分第一部分是所省 A comparison of error sources in high-speed milling00)12613