基于ADAMS 和Solidworks 軟件對(duì)碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性分析

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 唐海亮 張強(qiáng) 魏占勝 王炟

中國(guó)2025 智能時(shí)代，各行各業(yè)都充斥著改革的氣息，尤其引人注目的便是集眾多前沿科技于一身的現(xiàn)代化制造業(yè)裝備——工業(yè)機(jī)器人。世界各國(guó)紛紛抓住歷史機(jī)遇，出臺(tái)了“再工業(yè)化”戰(zhàn)略、“工業(yè)4.0”計(jì)劃、“2020 增長(zhǎng)戰(zhàn)略”推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展。在制造業(yè)上廣泛應(yīng)用機(jī)器人，做到“機(jī)器換人，人用機(jī)器”的新型制造自動(dòng)化。

碼垛機(jī)器人占地面積小、運(yùn)動(dòng)空間大、靈活精準(zhǔn)、快速高效、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全系數(shù)高，憑借著這些優(yōu)勢(shì)在很多領(lǐng)域占有一席之地，大大節(jié)省了勞動(dòng)力。由于我國(guó)機(jī)器人起步較晚，在碼垛機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)研究短板突出。通過(guò)建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)，從而達(dá)到優(yōu)化原型樣機(jī)的目的。解決當(dāng)前制造業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩、大量關(guān)鍵設(shè)備、核心技術(shù)受制于人的問(wèn)題，期望突破碼垛機(jī)器人方面研究的短板。

1 10kg 碼垛機(jī)器人研究主要內(nèi)容

結(jié)合在校期間Fanuc 系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)習(xí)，我們提出碼垛機(jī)器人對(duì)10kg 載荷的搬運(yùn)及碼垛設(shè)計(jì)。利用Solidworks 建立10kg 碼垛機(jī)器人原型樣機(jī)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并對(duì)原型樣機(jī)轉(zhuǎn)速能否快速增加從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人帶動(dòng)負(fù)載的承載力驗(yàn)證。

2 10kg 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)器人可用于自動(dòng)化工廠生產(chǎn)流水線上代替人工重復(fù)勞動(dòng)、提高工作效率，增加人口紅利。它主要用于抓取貨物并按照碼垛形狀給出既定的姿態(tài)將貨物重復(fù)精準(zhǔn)地放在指定位置。碼垛機(jī)器人可以高速運(yùn)行且工作范圍大，為了避免碼垛機(jī)器人在搬運(yùn)過(guò)程中與貨物發(fā)生碰撞，搬運(yùn)貨物從貨物多方面進(jìn)行夾取并安全擺放，所以選擇垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，本質(zhì)是一個(gè)仿生手臂空間自由度開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。主要由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、內(nèi)部傳感器組成。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)一般碼垛機(jī)器人重復(fù)定位精度低、承載載荷小，所以結(jié)合校園fanuc 系統(tǒng)研究上料搬運(yùn)機(jī)器人，研究設(shè)計(jì)10kg 碼垛機(jī)器人。選用交流伺服電機(jī)易于CPU 連接、響應(yīng)快、定位精度高、控制性能好，腕部采用十字紐扣RBR 型減小縱身長(zhǎng)度，增大結(jié)構(gòu)力矩，總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 10kg 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

2.2 10kg 碼垛機(jī)器人腰部應(yīng)力分析

對(duì)腰部進(jìn)行有限元分析，分析它的承載載荷腰部所受的應(yīng)力，然后判斷結(jié)構(gòu)是否能夠承載10kg 負(fù)載，應(yīng)力分析如圖2。

圖2 應(yīng)力分析

3 10kg 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)分析

將原型樣機(jī)在Solidworks 進(jìn)行特征組合，首先省略一些無(wú)關(guān)零件，避免在做運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)圖形干涉報(bào)錯(cuò)。然后將處理之后的原型樣機(jī)導(dǎo)入ADAMS 建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。給碼垛機(jī)器人設(shè)定負(fù)載10kg，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)得出關(guān)節(jié)受力曲線、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速。隨時(shí)間變化曲線如圖3、圖4 所示.

圖3 碼垛機(jī)器人Z 軸受力曲線

圖4 碼垛機(jī)器人轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

由圖3、圖4 曲線分析可知該設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人是可以承受10kg 的負(fù)載并平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的。啟動(dòng)的0.2s 碼垛機(jī)器人的承載力逐漸增大，轉(zhuǎn)速也快速增加，從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人帶動(dòng)負(fù)載的承載力。