【《某搬运机器人的机械系统设计与Ansys仿真分析案例》8500字】

某搬运机器人的机械系统设计与Ansys仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16786某搬运机器人的机械系统设计与Ansys仿真分析案例 118751.1机械执行系统 126919(1)直角坐标型 117365(2)圆柱坐标型 29983(3)球坐标型 22258(4)关节型 3211391.2手部抓取机构设计 4133341.3爪部夹紧液压缸设计 6281361.4水平伸缩液压缸设计 135456(1)液压缸所需驱动力： 144270(2)手臂伸缩时产生的惯性力： 1414661(3)水平液压缸工作时摩擦力： 15248611.5竖直升降液压缸 1528588(1)液压缸所需驱动力： 1512524(2)手臂升降时产生的惯性力： 1526834(3)竖直升降液压缸驱动力校核： 16181401.6机身行走机构设计计算 16290492.6.1电机选择 17249952.6.2轴承选择 17180621.7搬运机器人Ansys应力仿真 18100552.7.1竖直升降液压缸Ansys仿真 1819572.7.2水平伸缩液压缸Ansys仿真模拟 2331022.7.3Ansys模拟仿真的局限性 261.1机械执行系统通过《工业机械手设计》可知，根据机械执行机构不同的运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为以下几种[6]：直角坐标型如图1.1所示，其臂部的运动由三个直线运动所组成，分别是沿着直角坐标系的X轴、Y轴及Z轴完成动作。这种坐标形式的机械执行机构为直角坐标型，它的特点是结构简单、定位精度高，适用的场合为在主机位置成行排列。图1.1直角坐标型圆柱坐标型如图1.2所示，其臂部的运动通常由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种坐标形式的机械执行结构被称为称为圆柱坐标型。它与直角坐标型相比较而言，占地面积小且活动范围大，结构简单，并且能达到较高的定位精度，因此应用范围较广。但由于结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到结构限制，所以不能抓取地面上的物体。图1.2圆柱坐标型球坐标型球坐标型机器人一般由三个自由度组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转，如图1.3所示。这种机械结构能通过俯仰运动来抓取地面上的物体，为了使手部能适应被抓取对象各个方位的要求，通常需要加上一个用于旋转的关节来确定手部的姿态，其工作范围大，占比空间小，但含有密封困难及作业死角的问题，并且操控不便，此外，臂部摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大而产生偏差。图1.3球坐标型关节型多关节机器人和人的手臂构成类似，其特点就是可以人手一样灵活运动，如图1.4所示。它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间连接作为肘关节，大臂与立柱之间连接作为肩关节，各关节间均由铰链构成以实现转动，臂部的运动由三个回转运动所组成，为大臂的俯仰运动、小臂俯仰运动和大臂的回转运动。例如，遇到障碍物时，多关节机器人能绕过障碍物达到目标处，对此，一般的极座标或圆柱坐标型的工业机器人是难以做到的。又如要求完成某些特殊运动（摇曲柄运动)时，多关节机器人也更容易完成。多关节机器人还可象人手那样，用最少的时间从一点移动到另一点。如果在多关节机器人手部和腕部装上触觉和力的传感器，它就能做更多、更复杂的工作。图1.4关节型上述四种坐标形式主要结合在实际中的应用情况来确定，根据机器人工作范围，抓取工件形状参数等条件，去选择并设计出合理、合适的机械执行机构，可以选择一种坐标形式去进行机械执行机构设计，也可以选择其中两种坐标形式组合应用以达到预期的效果。在本课题中，因为有行走机构的存在，并且结合产品的情况及工作场景，最终确定机械执行机构形式为直角坐标型，其具有两自由度，即X方向上水平伸缩及Y方向上竖直升降。在搬运过程中，机器人整体流程如下：机器人随磁条移动至产品旁；水平液压缸使手指沿X方向伸出以确保能稳定夹取产品；手部液压缸控制手指夹紧产品；竖直液压缸工作使手指沿Z方向上升到设定高度并进行搬运工作；搬运到指定位置后竖直液压缸Z方向下降将产品放好；手部液压缸控制手指松开产品；水平液压缸沿X方向缩回到初始位置，重复（1）。1.2手部抓取机构设计通过查阅《工业机械手设计》及相关文献，并结合产品参数、工作情况最终选择夹钳式手部结构，连接形式为连杆杠杆式，机构简图如图1.5所示。图1.5手部机构简图手部力学分析如图1.6所示为连杆杠杆式受力图，作用在拉杆4上的驱动力为P驱动，连杆3对拉杆的反作用力P1和P2，力的方向沿连杆两销轴中心连线，指向O点并与水平方向成α夹角(见图1.6b)。图1.6连杆杠杆式手部结构及受力情况1-调整垫片；2-手指；3-连杆；4-拉杆由拉杆的力平衡条件得受力分析如下：FFM因h=c可得P=由式(1.1)可知，若设计尺寸c、b及驱动力P为一定值时，握力N和α角的正切值成反比。可见当α角减小时，可获得较大的握力。通过文献查阅可知，当夹角α=30°~40°为手指最佳夹紧角度，故本课题手部结构在此基础上进行。手部握力及夹紧驱动力计算由《工业机械手设计》查得，手指水平位置夹取垂直位置工件的握力计算如下：N=式中：f—摩擦系数，在本课题中手指与产品接触位置采取橡胶套以确保能稳定夹取产品，取摩擦系数f=0.8；G—夹取重力；实际驱动力P实际计算如下：P式中：P—计算驱动力，式1.1；η—手部机械效率，一般取0.85~0.95；K1—安全系数，一般取1.2~2；K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算K式中：a—被抓取工件运动时的最大加速度；g—重力加速度，取g=9.8m/s2。握力计算：N=计算驱动力计算：P=实际驱动力计算：KP故取实际驱动力P实际=1110N。1.3爪部夹紧液压缸设计图1.7活塞液压缸结构图根据上图所示液压缸结构及手部结构分析可得，在手部抓取工件时，无杆侧进油，使活塞杆对手部结构施加驱动力以实现工件夹紧动作。根据《机械设计手册第5卷》可知，液压缸尺寸相关计算如下[7]：根据负载大小计算选定系统压力表计算缸内径D如下式：D=3.57式中：D—液压缸内径，m；F—液压缸推力，kN；p—选定的工作压力，在本课题中选定工作压力为1MPa。由《机械设计手册第5卷》可知，当液压杆受压力，且工作压力小于5MPa时，液压杆直径取d=(0.5~0.55)D。缸筒壁厚计算如下式：δ式中：δ—缸体壁厚，m；c1—缸筒外径公差余量，m；c2—腐蚀裕量，m；δ0—缸筒材料要求的最小值，m，其数值应如下式计算δ式中：Pmax—缸内最高工作压力，MPa；D—缸筒内径；σp—缸筒材料的许用应力，MPa，其数值应如下式计算σ式中：σb—缸筒材料的抗拉强度，MPa；n—安全系数，通常取n=5。缸筒底部厚度计算公式如下：δ式中：D2—计算厚度外直径，m。由《机械设计手册第5卷》可知，液压缸通常使用材料为30、45、20Mn等碳素钢，或其他高强度合金钢，在本课题中，工作中的缸内压力为1MPa，属于低压，故选择液压缸材料为45号钢，抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，密度为7.85g/cm3。手部液压缸内径计算：D=3.57根据GB/T2348-2018流体传动系统及元件规定，计算出的内径数值应根据规定向上圆整，故手部液压缸内径D手部=40mm。手部液压杆直径计算：d=0.55根据GB/T2348-2018流体传动系统及元件可得，手部液压杆也应按照规定圆整，在此手部液压杆直径计算值刚好为圆整值，故手部液压杆直径d手部=22mm。手部液压缸缸体厚度计算：δ取腐蚀裕量与公差余量之和为1.5mm。δ根据《机械设计手册第5卷》中推荐液压缸壁厚数据圆整得，手部液压缸缸体厚度δ0=4mm。手部液压缸壁厚验算：0.35故厚度合理。手部液压缸底部计算：δ故圆整后取液压缸底部厚度为δ1=4mm。水平伸缩液压缸及竖直升降液压缸计算过程相同，最终计算整理出各液压缸数据如表1.1所示：表1.1各液压缸设计参数液压缸名称缸筒内径/mm液压杆直径/mm缸筒壁厚/mm缸底壁厚/mm手部液压缸402244水平伸缩液压缸502844竖直升降液压缸603644液压缸整体结构设计根据《机械设计手册第5卷》，常用的液压缸缸体结构共有八类，根据重量及应用去选择合理缸体结构十分重要，在本课题中，为了便于后期检查维修等问题，选择了容易拆卸的法兰连接液压缸，其主要结构如图1.8所示：图1.8水平伸缩液压缸三维模型图如图，液压缸前端盖与缸体为法兰连接，加工方便且拆装简易，后端盖与筒体之间焊接。液压缸内部构件设计液压缸内部构件主要有液压杆、活塞、密封圈、导向套及防尘圈等等，这些结构部件相互配合，形成了液压缸内部良好的密封环境及工作环境。活塞结构形式：缸内液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一致。所以在设计活塞时，主要任务是确定活塞的结构型式。通过查阅相关资料可知，活塞种类分为整体式和组合式活塞，在本课题中选择活塞形式为整体式活塞，如图1.9所示。图1.9整体式活塞唇型密封圈密封1-活塞；2-唇型密封圈；3-导向套活塞与活塞杆连接形式：活塞与活塞杆连接有多种型式，所有型式均需有锁紧措施，为了防止活塞在工作时进行往复运动而导致活塞掉落。同时在活塞与活塞杆之间需设置静密封。在本课题中选择活塞与活塞杆间连接为螺母型连接，活塞与螺母之间采用O型圈进行密封。活塞密封结构：在液压缸进行工作的过程中，活塞与液压杆由于液压的作用而发生我们想进行的动作，所以为了液压系统能稳定的工作，防止油沿着缸壁泄漏，在本课题中活塞与缸筒内侧采用Yx型密封圈进行密封，如图1.10所示。Yx型密封圈是主要用于像液压缸活塞在缸内进行往复运动密封的密封圈，主要材料有橡胶、TPU等，在本课题中选择材料为TPU，密封圈结构尺寸由JB/ZQ4264孔用Yx型密封圈确定。图1.10Yx型密封圈活塞规格设计计算：活塞宽度一般为活塞外径的0.6~1.0倍，但也要根据密封件的型式、数量和安装导向环的沟槽尺寸而定。在本课题中，活塞长度按照1倍活塞外径计算，活塞样式如图1.11所示。图1.11活塞示意图各液压缸活塞规格尺寸如表1.2所示：表1.2各液压缸活塞规格尺寸表液压缸名称活塞内径/mm活塞外径/mm活塞宽度/mm动密封槽深/mm动密封槽宽/mm静密封槽深/mm静密封槽宽/mm手部液压2水平液压缸205050竖直液压缸25606061641.5活塞与活塞杆连接处螺母选用：在本课题中，活塞与活塞杆连接处螺母选择为I型六角螺母，其规格数据参考GB/T6171-2016。根据《机械设计手册第5卷》，活塞杆处螺纹尺寸如表1.3所示：表1.3活塞杆处螺纹尺寸规格表液压缸名称螺纹直径与螺距螺纹长度/mm手部液压缸M10×1.2516水平伸缩液压缸M16×1.522竖直升降液压缸M20×1.528导向套、防尘圈尺寸规格计算：活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内,用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。导向套样式如图1.12所示：图1.12导向套结构示意图金属导向套一般采用摩擦因数小、耐磨性好的青铜材料制作，非金属导向套可以用尼龙、聚四氟乙烯+玻璃纤维和聚三氟氯乙烯材料制作。端盖式直接导向型的导向套材料用青铜、灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等制作。在本课题中选择导向套材料为青铜材料。导向套的主要尺寸是支承长度，通常按活塞杆直径、导向套的型式、导向套材料的承压能力、可能遇到的最大承压能力、可能遇到的最大承压能力、可能遇到的最大宽度一般约为d/3，两段的线间距离取2d/3，尺寸如图1.13所示：图1.13导向套尺寸配置示意图设计计算后各液压缸导向套尺寸如表1.4所示：表1.4各液压缸导向套规格尺寸表液压缸名称总长度/mm每段长度/mm杆侧槽宽/mm杆侧槽深/mm缸侧槽宽/mm缸侧槽深/mm爪部液压缸27.473.224.83水平液压缸39104.534.83竖直液压缸45124.537.55导向套与液压缸、液压杆之间采用O型圈密封，如图1.14所示，规格尺寸由JB/ZQ4224-2006O型橡胶密封圈确定：图1.14O型圈液压缸前端盖处防尘圈如图1.15所示，其规格尺寸由GB/T10708.3-2002橡胶防尘密封圈确定，如表1.5所示。图1.15防尘圈表1.5各液压缸前端盖防尘圈尺寸规格表液压缸名称D1/mmd1/mmS1/mmh1/mmL1/mmD/mm手部液压缸3020.53.55530水平液压缸3626.53.55536竖直液压缸4434.53.555441.4水平伸缩液压缸设计在本课题中，需要机器人可以做到水平伸缩以防止产品与车身发生磕碰导致产品发生破坏，所以在水平方向上设置了液压缸来帮助手部进行X方向上的伸缩，在设计过程中应注意以下问题：刚度问题：由于水平伸缩液压缸作为连接手部和臂部的部分，所以在工作过程中不仅会受到夹取产品的压力及手部构件的压力，还有在水平和竖直方向上运动的惯性力，所以对于水平液压缸来讲，它本身的刚度要足够支撑机器人的各种动作才能确保机器人能正常运行。受力问题：如上述，水平伸缩液压缸在运动过程中会产生惯性力，为了保证整体系统能够长时间平稳运行，所以需要尽可能的减少水平液压缸受到的惯性力冲击。而且由于爪部抓取工件时会对水平液压缸的液压杆产生重力方向上的作用力，其偏心力矩可能会导致液压杆产生变形，液压杆与缸体发生磕碰摩擦，严重使液压缸自锁，所以要进行合理的结构设计保证整体系统能长时间稳定运行。水平液压缸尺寸设计通过结合机器人工作情况，水平液压缸在工作中不仅会受到产品的压力，还有手部结构部件的压力，故结合这些数据计算出水平伸缩液压缸尺寸如表1.1所示，水平伸缩行程为200mm。液压缸所需驱动力：P手臂伸缩时产生的惯性力：在工作过程中，水平液压缸可分为三个阶段，分别是：加速阶段、匀速阶段、减速阶段，设计第一阶段时间t1=1s，第二阶段时间t2=2s，第三阶段时间t3=1s，可得启动的速度差如下式计算：∆加速减速阶段加速度为：a=手臂伸缩惯性力公式为：F式中：m—臂部运动件质量，kg；a—加速、减速阶段加速度，m/s2。臂部受力情况如图1.16所示：图1.16臂部受力情况由图可知，在机器人进行搬运工作中，臂部主要受到工件重力G1，手指部件重力G2及手部夹紧液压缸部件G3、G4。产品重力G1=600N，手指部件总重G2≈200N，手部夹紧液压缸总重G3+G4≈300N，故臂部质量可通过下式进行计算：m=手臂伸缩时产生惯性力大小为：F水平液压缸工作时摩擦力：水平伸缩液压杆在工作时主要与液压缸前端盖及导向套接触进行往复运动，故会与两者产生摩擦力，在这里按最大静摩擦力计算。端盖的制造材料为45号钢，导向套的制造材料为青铜，通过查阅资料可知，钢对钢的摩擦系数μ1=0.1，钢对青铜的摩擦系数μ2=0.15。活塞杆与前端盖摩擦产生摩擦力：f活塞杆与导向套摩擦产生摩擦力：f总摩擦力：ff故设计水平伸缩液压缸驱动力满足要求。1.5竖直升降液压缸竖直升降液压缸在工作当中主要受到手部构件及水平液压缸部件所施加的压力，故结合这些数据计算出水平伸缩液压缸尺寸如表1.1所示，水平伸缩行程为135mm。液压缸所需驱动力：P手臂升降时产生的惯性力：在工作过程中，升降液压缸可分为三个阶段，分别是：加速阶段、匀速阶段、减速阶段，设计第一阶段时间t1=1s，第二阶段时间t2=2s，第三阶段时间t3=1s，可得启动的速度差如下式计算：∆加速减速阶段加速度为：a=手臂升降惯性力公式为：F式中：m—臂部运动件质量，kg；a—加速、减速阶段加速度，m/s2。在机器人进行搬运工作中，臂部主要受到工件重力G1，手指部件重力G2及手部夹紧液压缸部件G3、G4。经计算得：产品重力G1=600N，手指部件总重G2≈200N，手部夹紧液压缸总重G3+G4≈300N，水平伸缩液压缸总重G5+G6≈400N，故臂部质量可通过下式进行计算：m=手臂升降时产生惯性力大小为：F竖直升降液压缸驱动力校核：FF故设计竖直升降液压缸驱动力满足要求。1.6机身行走机构设计计算由《工业机械手设计》可知，机身是机械执行系统中直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。机身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。机身可以是固定一体的，也可以是机身与底座分开形式的，机身与底座为分开形式的结构，即机座式结构，这样的结构不仅可以方便搬运机械手臂的搬运与移动，而且可以在其底座上进行相应的结构设计，让其行走与工作环境[8]。在本课题中选择的是机身与底座分开的形式进行设计，即手臂部件与机身通过螺栓连接，且车壳与车架也通过螺钉连接，可以方便后期检查维修。将手臂部件连接到车壳上，车架连接行走机构，车壳上半部分液压系统由液压驱动完成夹取动作，车架连接电机、减速器及减速链条与车轮连接实现灵活行走。在本课题中，行走机构设计为：四轮结构，其中后两轮为驱动轮，两轮分别与两个电机连接，以实现差速转向，前两轮设计为万向轮，可以随驱动轮灵活转向，通过这样的设计做到让搬运机器人可以做到灵活行走，带动整个机身完成搬运工作。电机选择在本课题中，设计行走速度为0.8m/s，通过JB/T10391-2008选择Y系列交流异步电动机，型号为Y90S-4，其主要参数如表1.6所示：表1.6电动机主要参数型号额定功率/kW转速/(r/min)效率/%堵转转矩/倍最大转矩/倍重量/kgY90S-41.1140078.01.31.325根据《机械设计手册第4卷》，通过设计行走速度确定减速器选择为单级减速器，齿轮比i=5.6。根据GB/T1243-2006设计链条传动，设计传动比i=3，与减速器相连一端小齿齿数为40，与驱动轮轮轴连接一端大齿齿数为120，链号选择05B。轴承选择在本课题中，整个系统通过电机驱动车轮去实现行走，所以轴承的选择十分重要，轮轴通过轴承与轮子配合，机身大部分的力都会传递到轴承上去，所以在本课题中轮子与轮轴之间选择轴承为圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承内圈与外圈可进行分离，并且游隙可调，其即可以承受轴向载荷，也可以承受纵向载荷，还可以承受轴向与纵向的联合载荷。轴承结构如图1.17所示：图1.17双列圆锥滚子轴承示意图在本课题中，驱动轮轴承选择双列圆锥滚子轴承，接触角系列2，万向轮轴承选择单列圆锥滚子轴承，接触角系列2。由GB/T273.1-2011选择驱动轮轴承尺寸系列为2DC，万向轮轴承尺寸系列为2BD。万向轮为实现360°旋转轴承也是重要部件，在本课题中，万向轮旋转轴轴承选择为平面推力球轴承，型号为51106，结构如图1.18，主要尺寸如表1.7所示：图1.18平面推力球轴承示意图表1.7平面推力球轴承主要尺寸表型号内径/mm外径/mm厚度/mm511063047111.7搬运机器人Ansys应力仿真竖直升降液压缸Ansys仿真在本课题中，竖直液压缸设计安装定位于车壳部分较靠后，所以在工作过程中会承受较大的手部、臂部部件及产品产生的偏心力矩，故在此对竖直升降液压缸整体进行Ansys应力仿真分析，分析过程如下：首先将Solidworks三维模型导入到Ansys当中，导入成功后添加部件所用材料属性，如图1.19、1.20所示：图1.19模型导入图1.20材料属性定义进行网格划分，如图1.21所示；网格质量如图1.22所示：图1.21网格划分图1.22网格质量接下来进行力的添加，如图1.23、1.24、1.25所示：图1.23竖直液压缸添加固定支撑图1.24竖直液压缸力矩添加图1.25竖直液压缸地球重力添加在本课题中，液压缸所用材料为45号钢，故在材料属性添加中填入45号钢的属性，通过查阅资料可知，其拉伸屈服强度为350MPa，压缩屈服强度为250MPa，极限拉伸强度为600MPa，极限压缩强度为355MPa。在网格划分模块中，划分网格质量多数在0.88区域内，故网格划分合理，网格节点数量为127379个，网格单元数量为77801个。在前处理模块中，对竖直液压缸后端盖添加固定支撑、自身地球重力，在距竖直液压缸325mm手部构件重心位置添加800N的力使竖直液压缸液压杆产生扭矩，以最大程度模拟机器人在工作过程中的受力情况，最后通过软件分析出竖直液压缸应力、应变分布情况，如图1.26、1.27所示：图1.26竖直液压缸应力分布情况图1.27竖直液压缸应变分布情况由仿真模拟出应力应变分布情况可知，液压缸受到最大应力为100MPa，最大应变为0.00050383mm，均小于材料极限应力应变数值，所以竖直液压缸的整体结构强度是足够的，由应力仿真模拟图可知，其最大应力应变部位在液压杆与前端盖接触处，初步分析是由于力矩