基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法

鄭志榮等

【摘 要】 結(jié)合實(shí)際案例，分析了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法，并探討可用于特種大型復(fù)雜機(jī)械的仿真技術(shù)方 法。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械臂；虛擬樣機(jī)模型；動(dòng)力學(xué)仿真；靜力學(xué)計(jì)算

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.01.018

【Abstract】Combined with the actual case， the design method of mechanical arm based on virtual prototype technology was analyzed， and simulated technology method that can be applied to special large and complex machinery was also explored as well.

【Key Words】mechanical arm； virtual prototype model； dynamics simulation； statics calculation

引言

武漢中央文化區(qū)漢街知音廣場(chǎng)東側(cè)，設(shè)置有用于群眾演出的漢街大戲臺(tái)。戲臺(tái)采用仿古木構(gòu)建筑風(fēng)格，舞臺(tái)后區(qū)布置了3套六自由度的大型機(jī)械臂，其端部安裝LED顯示屏。通過機(jī)械臂的各種動(dòng)作組合，實(shí)現(xiàn)LED背景在整個(gè)舞臺(tái)任意空間內(nèi)的無縫拼接和連續(xù)顯示，是場(chǎng)內(nèi)最出彩的設(shè)備之一。

機(jī)械臂由立柱、后臂、前臂、支座B、支座A和顯示屏組成，立柱高度32.02 m，最大臂展27.053 m，顯示屏面積11.25 m×6.66 m，每套機(jī)械臂重量達(dá)270 t 左右。機(jī)械臂上共有6個(gè)關(guān)節(jié)，從端部到根部依次為LED旋轉(zhuǎn)屏、支座A、支座B、前臂、大臂和支承柱，如圖1所示。

與目前常規(guī)的舞臺(tái)機(jī)械相比較，機(jī)械臂具有體積大、自由度多、慣量大、速度快、精度高、安全性和可靠性要求高等特點(diǎn)。因此，對(duì)這種特型舞臺(tái)機(jī)械的開發(fā)不能采用平面設(shè)計(jì)、樣機(jī)加工、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)這樣的傳統(tǒng)模式，而應(yīng)建立其虛擬樣機(jī)模型，從而進(jìn)行全方位的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析。通過建立機(jī)械臂的虛擬樣機(jī)模型，將實(shí)際產(chǎn)品的外觀、空間關(guān)系等以圖形的方式顯示，并模擬其在真實(shí)工程條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)特性，根據(jù)特性數(shù)據(jù)不斷修正優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不僅可提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約設(shè)計(jì)成本，更重要的是可以更大限度地保證設(shè)計(jì)安全性，提高樣機(jī)研發(fā)的成功率。

1 虛擬樣機(jī)模型

基于Pro/E軟件（3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件）的變量化設(shè)計(jì)和實(shí)體造型技術(shù)，可以完成機(jī)械臂各零部件的建模與整體裝配。機(jī)械臂的主要部件模型有LED旋轉(zhuǎn)屏（roll#01）、支座A（slew#02）、支座B（pitch#03）、前臂（pitch#02）、大臂（pitch#01）、提升缸（lift）、支承柱（slew#01）、配重（balance）等。模型的裝配應(yīng)遵循真實(shí)動(dòng)作原則，并進(jìn)行模型全方位的干涉檢查與修正。其模擬三維模型如圖2所示。

Pro/E軟件中建立的三維模型應(yīng)保證與實(shí)際產(chǎn)品的完全一致，包括結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、各部分材質(zhì)與密度等，這些將直接影響到分析的精確性。利用Pro/E與機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）的接口軟件Mechanism/PRO，將準(zhǔn)確的實(shí)體模型部件定義為若干剛性體部分（Part），并設(shè)定一些重要的關(guān)鍵點(diǎn)（Marker），將上述三維模型圖導(dǎo)出為ADAMS分析可用的文件。

2 動(dòng)力學(xué)仿真

動(dòng)力學(xué)仿真的意義是替代常規(guī)的物理樣機(jī)試驗(yàn)，將常規(guī)物理樣機(jī)的動(dòng)作試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集等在計(jì)算機(jī)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)；仿真的準(zhǔn)確性取決于三維模型、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等與實(shí)際產(chǎn)品的接近程度。

動(dòng)力學(xué)仿真的主要目的有：計(jì)算各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率、輸出扭矩或輸出力，用于傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型；計(jì)算各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)在運(yùn)行過程中的速度、位移或轉(zhuǎn)角，用于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；計(jì)算各部件的運(yùn)動(dòng)慣性力，用于校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.1 仿真模型

建立仿真模型時(shí)，采用ADAMS進(jìn)行產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型由Mechanism/PRO接口導(dǎo)出，各部件的慣量、重心等經(jīng)過Pro/E設(shè)計(jì)過程校驗(yàn)，可保證與實(shí)際產(chǎn)品的一致性；各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副在ADAMS中建立，主要有旋轉(zhuǎn)副與滑動(dòng)副兩類。機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)

機(jī)械臂包含了主要的直接承受驅(qū)動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)部件，其中：提升缸由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)間均控制在5 s，以勻加速方式啟/制動(dòng)；其余各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同樣在5 s內(nèi)勻加（減）速啟（制）動(dòng)。但是，如果有意外斷電等情況發(fā)生，無法控制勻減速停止，提升缸須在應(yīng)急液壓控制元件的保證下2 s內(nèi)快速停止，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)須在制動(dòng)力矩控制下快速停止。另外，快速制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力較大，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)有不利影響。主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)見表1。

實(shí)際演出時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)部件會(huì)進(jìn)行不同的組合動(dòng)作，以配合演員的表演。不同動(dòng)作對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的影響不同，本文綜合全部關(guān)節(jié)啟動(dòng)或制動(dòng)的惡劣工況，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。動(dòng)作大致流程如下：slew#01順時(shí)針啟動(dòng)，slew#02逆時(shí)針啟動(dòng)，pitch#03向上啟動(dòng)，roll#01順時(shí)針啟動(dòng)，前臂pitch#02向上啟動(dòng)，lift向上啟動(dòng)，各關(guān)節(jié)啟動(dòng)并達(dá)到額定速度后，正常減速至零并開始反向啟動(dòng)，反向達(dá)到額定速度（位置接近該狀態(tài)起始位置）時(shí)，各關(guān)節(jié)以表1中的制動(dòng)力矩制動(dòng)，油缸受控2 s內(nèi)減速至0。

2.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，每個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)均可得到驅(qū)動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)（制動(dòng)）力矩或驅(qū)動(dòng)（制動(dòng)）力、啟動(dòng)（制動(dòng)）加速度、啟動(dòng)（制動(dòng)）位移等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可為設(shè)計(jì)選型及強(qiáng)度分析提供依據(jù)。因全部計(jì)算結(jié)果、數(shù)據(jù)、曲線等信息量較大，無法一一列舉，以下僅列出LED屏（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)roll#01）的驅(qū)動(dòng)功率曲線與加速度曲線，分別如圖3、圖4所示。endprint

運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)功率最大值約為3 kW，考慮安全余量，選擇5.5 kW電機(jī)；LED屏的最大合成加速度約0.9 ×9.8 m/s2，可作為設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。

3 靜力學(xué)計(jì)算

近年來，靜力學(xué)計(jì)算已越來越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，可以分析較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并提高計(jì)算的精確性，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的不足，為設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度校驗(yàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相對(duì)準(zhǔn)確的分析依據(jù)；同時(shí)，也使對(duì)許多物理樣機(jī)無法實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)的分析成為可能。

靜力學(xué)計(jì)算的主要目的有：計(jì)算不同受力時(shí)各零部件的應(yīng)力分布；計(jì)算各零部件的撓度與受力變形；計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 計(jì)算模型

采用工程計(jì)算中較為通用的ANSYS軟件來完成機(jī)械臂的靜力學(xué)計(jì)算，其準(zhǔn)確性取決于計(jì)算模型的前期處理、邊界條件的定義和材料屬性的設(shè)定。

考慮到Pro/E樣機(jī)模型與靜力學(xué)計(jì)算模型的要求有所區(qū)別：前者更注重模型與實(shí)際產(chǎn)品的一致性；后者則從軟件計(jì)算的角度出發(fā)，追求一定程度的合理簡化，以期得到更高效、更準(zhǔn)確的求解。將機(jī)械臂的Pro/E模型進(jìn)行滿足ANSYS要求的處理后，導(dǎo)出為可以被ANSYS軟件識(shí)別的*.igs文件格式，導(dǎo)入ANSYS后，再進(jìn)行網(wǎng)格化處理并定義材料屬性，其主要受力材料均為Q345B（密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3）。

通過動(dòng)力學(xué)分析得到的運(yùn)動(dòng)過程中各部件的受力數(shù)據(jù)，是靜力學(xué)計(jì)算的可施加載荷；各部件獨(dú)立計(jì)算時(shí)，需提取部件各連接點(diǎn)的受力；整體計(jì)算時(shí)，無需考慮部件之間的受力傳遞，僅考慮整體慣性力即可。而設(shè)備的靜力學(xué)計(jì)算需考慮各種運(yùn)行工況而進(jìn)行大量的計(jì)算，以下僅取其中一例用以介紹此設(shè)計(jì)方法。

通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到LED屏在制動(dòng)過程中的最大慣性加速度為0.9 ×9.8 m/s2，將該值作為強(qiáng)度計(jì)算的施加載荷。機(jī)械臂的整體計(jì)算模型見圖5，塔體兩端施加位移約束，LED屏施加慣性加速度0.9 ×9.8 m/s2。

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過ANSYS求解器的計(jì)算，可得到機(jī)械臂整體模型的變形為58 mm，主要是近30 m的懸臂支撐末端的屏幕（自重8 t）產(chǎn)生的撓度，該變形量符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求；機(jī)械臂的整體應(yīng)力為57 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)的位置是提升油缸耳座附近，該處有接近6倍的安全系數(shù)，可滿足設(shè)計(jì)安全性要求。變形圖與應(yīng)力圖分別如圖6、圖7所示。

4 結(jié)束語

本文闡述了一種高效、優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)方法，并將其應(yīng)用到機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中。該方法可以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中，直觀形象地對(duì)虛擬產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試和安全分析，這對(duì)啟迪設(shè)計(jì)創(chuàng)新、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、加快設(shè)計(jì)周期有重要意義?；赑ro/E、ADAMS和ANSYS平臺(tái)的聯(lián)合仿真技術(shù)也適用于其他特種大型復(fù)雜機(jī)械的研發(fā)與設(shè)計(jì)。

仿真模擬計(jì)算大大簡化了樣機(jī)試驗(yàn)的過程，降低了費(fèi)用、節(jié)省了時(shí)間。但是，任何應(yīng)用軟件都有一定的應(yīng)用條件，其中包括軟件本身的局限性以及設(shè)計(jì)者建模簡化程度的不同，故其計(jì)算結(jié)果大多與實(shí)際狀況有一定差別。設(shè)計(jì)者一定要在參考計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來分析和判斷結(jié)果的可信度。必要時(shí)，還需進(jìn)行一些局部的測(cè)試，不可盲目采信。endprint