气动机械手柔性导轨的仿真与分析.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 验 ，一种为圆柱导轨，直径为2 0 mm的圆截面钢 ， 双导轨式 安装 ；另一种为截面积与 圆柱导轨相等 的S E O 4 5 型导轨 ，导轨截面形状如 图2 所示 ，铝合 金材料 ，单导轨式安装 。两种导轨 的变形量分别 为0 ． 6 5 mm、O ． 5 3 m m，均满足初步计算要求。 图2 S E O 4 5 型导轨截 面图 2 动力学仿真分析 2 ． 1刚柔耦合原理 ADA MS 中柔性体是用离散化 的若干个单元的 有限个节点的 自由度来表示物体 的无限 自由度I ， 柔性体 的运动可 以看为刚性移动 、刚性转动和变 形运动 的耦合 ，其 中变形运动可 以通过计算每一 时刻物体 的弹性位移来描述 ，构件上任一节点的 弹性位移可 以用变形体的模态矢量阵与模态坐标 的线性组合来表示 ，从而可 以研究柔性体与整体 刚性运动相互作用对运动的影响 。 柔性体的广义坐标为 ，Y ， z ， I ， 0 ， ， q ， 【 i 1 ,2 ， ⋯ ， J tx ， ， g J 考虑变形前后单元节点P 的位置、方向和模态的 变化，根据拉格朗日方程导出柔性体运动方程 { _ _ l1 OM 2 1 { 聪 D l f 尝1 九 Q 0 ／ 与 式中 M为柔性体质量矩阵；K和D分别为模 态刚度矩阵和模态阻尼矩阵 ； 为广义重力T 为 柔性体动能 ；九为对应于约束方程、 I ， 的拉格 朗 E l 乘 子；Q为投影到薯 上的广义力。 2 ．2 刚柔耦合模型的建立 柔性体通过ANS YS 建立 ，刚柔耦合仿真通过 ADA MS 实现 ，具体操作步骤如图3 所示 。 在ANS YS 中对导轨进行模态分析并生成MNF 文件 模态中性文件 ，导入AD AMS 中替换刚体 导轨生成导轨柔性体模型，与其 他刚体 配合建立 刚柔耦合模 型进行仿真 。建立正确的柔性体 是刚 柔耦合仿真 的关键，因此必 须验证MNF 文件的正 确性 ，可以通 过以下项 目进行检查1 柔性体 的尺寸 如果MNF 文件输 出时单位错误，那么导 入后柔性体 与被替换 的刚性体尺寸上会 有偏差 ， s o l i d wo r k s 导轨模型 导入ANS YS 二二二二工二二二 定义单元类型 二二二二[二二 定义材料特性 二二二二工二二二 建 立 K E YP D1NT S 二二二二I二二二二 对实体划分 网络 二二二二I二二二 对K E Y P D I N T S 划分网络 二二二二[二二 建立刚性 区域 输出D坟 件 s o l i d wo r k s 装配模型 P A AM RA s S OLI 。 导入A DAMs I 二二工二二二 编辑各构件 l 编辑柔性体 二二二工二二二 定义约束和驱动 二二二[二 动力学仿真 二二二[二 分析输 出结果 { 。 oc詈 s△6△ x。薹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 违 訇 化 为测试 曲线导入到圆柱导轨变形曲线图中，将两 导轨 的变 形 图进行对 比，如 图4 所示 。其 中曲线 d e f o r ma t i o n 1、d e f o r ma t i o n 2 分别为圆柱导轨和 S E O 4 5 型导轨的变形曲线。 萄 _f 。 。 图4 柔性体导轨动力学仿真曲线 由两导轨的动力学仿真 曲线 看出，随着水平 气缸的动作，导轨伸 出过程中变形逐渐增大 ，并 伴随有轻微 的振动 。S E O4 5 型导轨 比圆柱型导轨 变形小 ，运行过程 中振动小，运行平稳 。另外， 体积上 ， S E O4 5 型导轨采用单导轨式安装 ，较双 导轨式 安装 的圆柱型导轨结构简单 ，体积小；重 量上，S E O4 5 型导轨采用铝合材料 ，重量低于圆 柱钢导轨 ；综上 ，选用S E O 4 5 型导轨作为水平导 轨 ，而对于 只承受轴向载荷 的垂直导轨 ，考 虑到 成本选择直径为6 mm的圆截面钢导轨。 表1 导轨静力学分析变形值 导轨行程 m m 0 1 o o 2 0 o 3 o o 4 0 0 5 0 0 导轨动作时间 s 0 l | O 5 1 ．5 0 1 ． 9 5 2 ．4 0 3 圆柱导轨变形量 mm O 0 ． 0 2 2 O ．O 9 l 0 ． 2 3 8 0 ．4 9 0 0 ． 8 7 3 S E O 4 5 型导轨变形嚣 mm O 0 ． 0 1 6 0 ．O 5 7 O ． 1 4 7 O - 3 O 6 0 ． 5 5 2 将 两导轨模 型分 别导入ANS YS中进 行静 力 学分析 ，分析出水平导轨伸 出 X轴方 向位移 l O O mm、2 0 0 mm、3 0 0 mm、4 0 0 mm、5 0 0 mm处 的 变形值 ，同时在AD AMS 中建立传感器 ，依次测量 出水平导轨伸 出以上 距离时 的时间值 ，结果如表 1 所示 。将各时刻值及对应变形值保存到． T xT 文 件，作为测试曲线导入到AD AMS 中，将时间值 曲 线设为横坐标 ，变形 值设为纵坐标 ，得到导轨在 静力学分析下的变形 曲线，将其与动力学分析 曲 线对 比，如图5 所示，其 中曲线d e f o r ma t i o n 1 1 为 圆柱导轨静力学分析变形曲线、d e f o r ma t i o n 2 1 为 S E 04 5 型导轨静力学分析变形 曲线。 分 别对两导轨动力学分析与静力学分析得到 的变形图进行对比，看 出ANS YS 分析出的静力学 曲线与A DAMS 中动力学仿真 曲线走势相 同，验证 了动力学分析结果的正确性 ，而两者在变形值上 存在的微小差距 ，这是 由于动 力学分析 中导轨运 动产生的惯性 引起 ；静力学分析 出的曲线为一条 平 滑的曲线 ，而 由动力学分析 出的变形 曲线比较 1 1 6 1 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 -1 0 下 t i r a e s e c a 圆截面导轨变形曲线 b S E O4 5 翌 导 轨 变 形 曲 线 图5 导轨变形 图 形 象的描述 了导轨的变形和振动 ，更符合实 际运 行状 态。所 以针对导轨 的变形振动应采取相应的 措施，提高机械手的动作精度和可靠性 。 3 结论 在S o l i d w o r k s 中建立机械手模型 ，将导轨模型 导入ANS YS 中，进行模态分析得到导轨 的模态中 性文件，然后将带有柔性体信 息模态 中性文件导 入ADAMS 中建立刚柔耦合模型 ，进行动 力学仿 真 ，得出不同类型柔性体导轨 的变形和振动，对 导轨 的变形曲线进行分析，并与在ANS YS 中的静 力学变形 曲线对 比可知 ，采用柔性体导轨 模型可 以更准确的反应机械手运动情况。 通过机 械手的动 力学仿真分析 ，在对机械手 进行设计时，若机构 中存在承载大 ，行程大 ，做 变速运动的部件时 ，应充分考虑构件变形对机械 手末端点轨迹 的影响 ，保证手部抓取工件的准确 性；对手指夹紧力进行计算时 ，应考虑手臂的振 动情况，防止在运送工件过程 中因为手臂的振动 而产生掉件的情况，增加机械手工作可靠性 。 参考文献 【 1 ]1 刘俊， 林砺宗， 刘小平， 王刚． A DA MS 柔性体运动仿真分析 研究及应用【 J 】 ． 现代制造工程， 2 0 0 4 5 5 3 5 5 ． 【 2 】郑松林 ， 顾晗， 冯金枝 ， 陆毅 ， 宋 江涛． 柔性体 衬套模 型 对 四 连 杆 悬 架 KC特 性 的 影 响 【 J 】 ． 汽 车 工 程 ， 2 0 1 2 ， 3 4 8 7 2 3 - 7 2 6 ． 【 3 】李 军． ADAMS 实例 教程 【 M】 ． 北 京 北京理 工 大学 出 版 社， 2 0 0 2 ． 【 4 】林坤， 董贵鹏， 王锡 山， 徐彩霞， 刘东友． 基于ADAMS 的 装 配 机 械 手 振 动 仿 真 与 分 析 【 J 】 ． 机 械 设 计 ， 2 0 1 2 ， 2 9 1 2 4 3 4 5 ． 【 5 】Bi r k h a u s e r Bo s t o n ． Dy n a mi c An a l y s i s o f Mu l t i p l e F l e x i b l e - b o d y S y s t e ms ． F u n d a me n t a l s o f M u l t i b o d y Dy n a mi c s ， 2 0 0 6 ， 5 5 1 ． 5 9 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m