单自由度柔性机械臂刚柔耦合动力学仿真研究

机 械设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 l 2期 2 0 1 2年 1 2月 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 2 0 0 5 4 0 3 单 自由度柔性机械臂刚柔耦合动力学仿真研究 术 王江勇 王基生张俊俊刘 自红刘 罡 西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点实验室 绵阳 6 2 1 0 1 0 Rig i d F le x i b le C o u p l in g D y n a mic S i mu la t io n R e s e a r c h o n a S i n g l e De g r e e o f F r e e d o m F l e x i b l e Ma n i p u l a t o r WA N G J i a n g y o n g WA N G J i s h e n g Z H A N G J u n j u n L I U Z i h o n g L I U G a n g K e y L a b o r a t o r y o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r Ma n u f a c t u r i n g P r o c e s s Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 C h i n a 摘要 柔性机械臂在刚性旋转的同时自 身存在弹性变形运动 其动力学行为表现为复杂的刚柔 耦合现象 对机械臂的控制精度和运动稳定性产生不可忽视的影响 为研究单自由度柔性机械臂的刚 柔耦合特性 采用了A N S Y S 和A D A M S 的联合仿真方法 基于柔性体建模理论 在 A N S Y S中建立单自 由度柔性机械臂的有限元模型 将模型导入 A D A M S中进行动力学仿真 分析了机械臂末端的振动与转 速的关系 研究了某一时刻的动应力及其随时间的变化情况 结果表明 该方法适用于柔性机械臂的刚 柔耦合动力学特性研究 对柔性机械臂的设计具有重要意义 关键词 机械臂 刚柔耦合 联合仿真 振动 应力 A b s t r a c t F l e x i b l e ma n ip u l a t o r a r r o t a t i o n w i l l p r o d u c e e l a s t i c d e f o r m a t i o n o f m o v e m e n t a n d t h e d y n a mi c b e h a v i o r o fr i g i d fle x i b l e c o u p l i n g i s c o m p l e x w h i c h h as a g r e a t e f f e c t o n t h e c o n t r o l a c c u r a c y and t h e s t a b i l i t y ofmo t i o n oft h e m a n i p u l ato r I n o r d e r t o s t u d y o n r i g i d fle x i b l e c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e s i n g l e d e g r e e o f f r e e d o mfle x i b l e m ani p u l at o r t h e c o s i m u l ati o n me t h o d u s i n g A N S Y S and AD A MS W as a d o p t e d Ae c o r d i n g t o t h e m o d e l i n g t h e o r y o f fle x i b l e b o d y t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l of a s i n g l e d e g r e e o f f r e e d o mfle x i b l e m a n ip u l at o r W as e s t abl i s h e d i n A N S Y S w h i c h W as use d t o i m p o r t i n t o AD A MS t o c arr y o n d y n a m i c s i mu l a t i o n T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e e n d p o i n t v i b r ati o n o f fl e x i b l e m a n ip u l a t o r a n d r o t at i o n a l v e l o c i t y W as an a l y z e d a n d t h e s t r e s s o n e t i me an d i t s c h an g e wi t h t i me w e r e s t u d i e d T h e r e s u h s s h o w t h at t h is m e t h o d i s s u it a b l e f o r fl e x ib le m anip u l at o r s r ig i d fl e x i b l e c o u p l i n g d y n ami c c h ar acte r is t i c s and it is of g r e at s ig n C t tt tc e t o d e s ig n t h e fl e x i b l e m anip u l at o r Ke y W o r d s M a n i p u l a t o r Ri g i d Fl e x i b l e Co u p l i n g Co S i mu l a t i o n Vi b r a t i o n S t r e s s 中图分类号 T H 1 6 文献标识码 A 1引言 机械臂是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动 控制设备 与刚性机器人相比 柔性机械臂具有耗材少 质量轻 能耗低 所需驱动数 目 少 高负载自 重比 避障能力强 便于移动 等特点 使得柔性机械臂在各个领域得到的广泛的应用 包括医 疗 工业 核能 航天航空等 传统的在动力学 运动学仿真计算中 将零件视为刚体 即 不考虑零件的变形对运动的 影响 随着大型机械臂向高速 轻质 方向的发展 机械臂的变形对运动所产生的影响和运动对变形的 影响已经不可忽视 大型机械臂在做大范围刚性运动的同时会产 生相对于自身平衡位置弹性振动 其动力学行为表现为复杂的刚 柔耦合现象 动力学方程具有非线性 强耦合 时变等特点翻 因 此对于机械臂的理论计算 仿真实验等提出了越来越高的要求 有限元分析软件 A N S Y S 擅长于静力学 瞬态动力学 模态 谐响 应分析等 而对于大范围运动的仿真较为薄弱 动力学分析软件 来稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 4 基金项 目 四川省教育厅重点项 目 1 l z d l 1 1 0 A D A MS的基础理论是多刚体动力学 对于复杂柔性体建模比较 困难 结合两个软件各 自的优势 在 A N S Y S中建立单自由度机械 臂柔性体模型 在 A D AM S中进行动力学计算 实现机械臂的刚 柔耦合仿真 为大型柔性机械臂的设计提供理论参考 2柔性机械臂建模 2 1 AD A MS柔性体基础理论 在柔性体分析时 假设物体的弹性变形是相对于连动坐标 系的小变形 A D