救援无人机机械系统及结构设计

救援无人机机械系统及结构设计

摘要

最近几年，随着技术的飞速发展，材料、动力系统、数字传感器

等技术都在飞速发展，而无人机的应用也在不断的扩大，各种自动化

系统的应用也在不断的扩大。它的主要优点是它可以在复杂、危险的

条件下进行空中救援。无人机救援领域的研究，也将开创一个新的技

术创新时代。无人机的主要功能就是利用影像辨识系统，将目标识别

出来，再由遥控发出信号，由飞控系统迅速捕获，再根据各传感器的

反馈信息，对其进行控制，从而完成救生无人机的上升、下降、置空

等各种救援任务，并对其进行操作。首先，对目前已有的救援无人机

和机械手进行了深入的研究，初步建立了一个无人救援系统的总体框

架。在此基础上，对无人机的结构、续航、动力、控制系统、机械臂

等进行了优化和创新，将这些有机结合在一起，既能保证无人机的整

体性能，又能满足毕业设计的需要。

关键词：救援无人机；机械手；结构优化

Rescuedronemechanicalsystemandstructuraldesign

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentoftechnology,materials,

powersystems,digitalsensorsandothertechnologiesarcdeveloping

rapidly,andtheapplicationofuavvehiclesisalsoconstantlyexpanding,

andtheapplicationofvariousautomationsystemsisalsoconstantly

expanding.Itsmainadvantageisthatitcancarryoutairrescueunder

complex,dangerousconditions.ResearchinthefieldofUAVrescuewill

alsousherinaneweraoftechnologicalinnovation.Themainfunctionof

theUAVistousetheimageidentificationsystemtoidentifythetarget,and

thentheremotecontrolsignalstoquicklycapturetheflightcontrolsystem,

andthencontrolsitaccordingtothefeedbackinformationofeachsensor,

soastocompletevariousrescuetaskssuchastherise,fallandemptyofthe

rescueUAV,andoperateit.First,anin-depthstudywasconductedonthe

existingrescueUAVandmanipulator,andtheoverallframeworkofan

unmannedrescuesystemwasinitiallyestablished.Onthisbasis,the

structure,endurance,power,controlsystemandmechanicalarmoftheuav

areoptimizedandinnovated.Theycannotonlyensuretheoverall

performanceoftheuav,butalsomeettheneedsofthegraduationdesign.

KeyWords：Rescuedrone;manipulator;structuraloptimization

目录

摘要........”.......................”.....I

ABSTRACT.................................................................................................II

1Rlj••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6

1.2国内外的发展概况................................................................6

L3本设计的主要内容................................................................7

第2章机械爪手设计方案............................................8

2.1机械爪手的设计要求和功能要求...................................................8

2.1.1设计要求...................................................8

2.1.2能要求....................................................8

2.2常见机械爪手...................................................................8

2.2.1夹钳式机械爪手............................................8

2.2.2弹性力机械爪手............................................8

2.2.3勾托式机械爪手............................................9

2.3方案对比分析和确定.............................................................9

2.3.1方案一二指平动手爪.......................................9

2.3.2方案二三指关节机械手爪..................................1()

2.3.3方案分析..................................................1()

第3章机械手的结构设计.............11

3.1机械手的结构分析...............................................................11

3.2手指结构设计...................................................................12

3.2.1手指数量..................................................12

3.2.2手指的材料...............................................12

3.3底座的设计.....................................................................13

3.4驱动机构的设计................................................................14

谢辞.............................................

第1章前言

多旋翼无人机在近几年发展迅速，装备了无人机。这种无人机又被称作“空

中无人”，在很多方面都有很大的用途。按照用途，无人机分为军用和民用。军

用无人机发展比较成熟，但发展民用无人机还有很大的发展空间。因此，本文将

着重于民用多翼无人驾驶飞机。多翼无人机最大的优势就是不管地形多复杂，天

气多恶劣，都能很好的执行侦察和营救任务。它是四翼无人机和救生系统的组合,

升力大，成本低，升级空间大，灵活性强，飞行灵活，操作简单。

随着材料、导航、电力系统、传感技术的迅速发展，装备有夹具的机械臂的

无人侦察机也迅速发展起来，它的主要优点是能够在复杂或危险的情况下救助，

同时还能提供必要的救援讯息。

1.2国内外的发展概况

由于大量使用多旋翼杀虫剂的多旋翼无人机，日本在2012年登记了大约

24,000架。自20U色起，美国因为大量的科研资金投入，使多翼无人机达到了前

所未有的快速发展。相比之下，欧洲的无人机发展速度就比较慢了。现在，很多

公司都在研制和制造无人驾驶多旋翼无人飞行器，最常用的是四旋翼和六旋翼。

在无人机上也采用了主动防卫技术。同时，也有一些小型的民营公司，将大量的

新技术引进到了无人驾驶领域，这就导致了无人机的种类繁多。关于六旋翼无人

驾驶飞机携带执法、录像和检查摄像机的报道是很普遍的。就拿深圳大疆创新技

术有限公司来说，从2012年开始，公司的规模就一直在增长，现在已经是全球最

大的无人机控制系统和无人机解决方案的开发和生产厂商。公司在100多个国家

拥有客户。

美国在90年代后期就已经开始使用无人机进行灾难监控和救灾，但是中国目

前还没有将其用于紧急情况，比如地震。中国科学院研究组是2008年汶川大地震

前首次采用遥感无人机进行震中灾害航拍的研究小组。此后，玉树、芦山等地的

远程监测和应急救援工作中，无人机的应用日益突出。大量的应急救援经验表明，

无人机能快速拍摄灾区震后的空中影像，如今也能实现实时、远距离的实时影像;

6

由于成本低，操作方便，响应迅速，因此，在大范围的地震灾害中，无人机可以

更高效地进行调查。有了无人机，他们就能通过无人机来分析和判断危险。目前

的无人驾驶技术，除了能拍摄灾难，还能搭载各种载荷模块，如果能“转化”成

一个移动通讯基地，就能在灾后救援、物资分发、宣传等方面发挥作用。在紧急

情况下，无人机将是不可或缺的、不可取代的空中力量。

1.3本设计的主要内容

本文介绍了一种具有机械爪功能的救援无人侦察机爪的结构，它可以为救援

工作提供一种在极端条件下进行救援的新途径。它本身具备良好的抓取性能，并

将其优点和无人机的优点结合起来，使救援无人机的功能得到最大程度的发挥。

救援无人机与机器人协同工作，可以将不同的目标捕获，并将其送回。本论文主

要介绍了机械手的模型及工作原理，并对其进行了结构设计及静力分析。

7

第2章机械爪手设计方案

2.1机械爪手的设计要求和功能要求

2.1.1设计要求

机械爪子首先要抓住目标，必须要有足够的力量，然后和四翼无人机配合，

进行多次营救，最终才能平安归来。机械手应具有结构简单、重量轻的特点，以

避免结构复杂。爪式手控回路应具有简单、可靠的特点，尽量减少驱动马达的数

目，同时又不会对系统的运行造成任何影响，同时还能实现自动锁定，降低功耗,

提高效率，为无人机的持续使用提供了条件。

2.1.2能要求

可以对目标物体进假设，能抓取方形或圆柱形，球体及不规则形状的物体。

在理想状态下，可抓取最大尺寸为100mm、重1000g的物体。

2.2常见机械爪手

2.2.1夹钳式机械爪手

一般情况下，由手指、传动、传动系统和联接支撑元件构成，通过手指的上

下运动将被夹持的对象。它的手结构类似于蟹钳，是一种工业机械手的结构。

钳形机械手有两类：回转型和平移型。回转体的工作原理是两个操纵杆带动

手指，使手指围绕指尖的位置旋转，以完成开闭动作。而平动式机械手则通过驱

动装置使两根手指相对移动，以运到开合动作。

2.2.2弹性力机械爪手

弹力机械手具有利用弹性材料夹持物体的特性，只需在固定物体上施加一定

的压力即可，无需特殊的动力设备。然而，在抛出物体时，必须要有一个牵引力,

而且该牵引力要比目标的重量大。对目标对象的形状也要有一定的要求，它的形

8

状要和手指的形状类似，并且要抓取的方向要相同。

2.2.3勾托式机械爪手

钩爪并不是用来抓取一个物体，它是由一个物体的重力和一个水平的指头所

产生的支撑力量，从而把一个物体拉出或者拉出。因为钩式爪子主要依靠手指的

支撑力来抓取物体，对传动机构的力矩并不特别依赖，而且也不需要太大的夹持

力。

2.3方案对比分析和确定

机器人的爪子是最重要的执行器，它的作用是为了提升无人机的工作效率和

工作效率。机械手抓具设计的优劣，关键在于装夹是否牢固，定位是否准确，是

否具有普适性。目前.，最常见的机械手主要有三种，即：钳形、弹力和钩托。它

们的缺点是其工作原理太过简单，造成了夹具的单一。近几年，随着各种机械的

发展，各种爪子的构造层出不穷，由简单到复杂，由单一到通用，功能也逐渐丰

富起来。在大自然中寻求灵感的同时，它的爪子也趋向于模仿生物。实验表明，

手指的数量越多，能够抓住物体的稳定性就越高，能够抓住不同的物体，但是手

指太多，就会造成结构的复杂和冗余，因此，三根手指的机械手是最好的选择。

2.3.1方案一二指平动手爪

方案一为多连杆二指平动机械手，由许多可自由移动的小关节构成。然后利

用马达作动力，使机械手完成夹紧运动。

图2.1二指平动机械手原理图

本产品采用步进电动机作为动力源，传动灵活，传动精度高。此种机械手通

9

常具有中等尺寸的结构尺寸、低造价，广泛应用于科研、教学机器人等领域。它

的工作原理是由马达驱动一根驱动杆，然后由一根连杆传递到一个四边形的平行

四边形结构上，从而使手指产生一张一闭的动作。手指的表面是粗糙的，这样可

以增大与被夹持的物体之间的摩擦力，从而让握持的更稳。手指和夹具之间有一

个压力感应潜，它可以根据物体的硬度来判断要用多大的夹持力，从而避免被夹

住。

2.3.2方案二三指关节机械手爪

方案二采用三指关节式机器人，采用步进电动机驱动，使其更灵活、更稳定

地抓取目标。因此，研制出一种新型的单马达传动三指机械手钳。

它的工作原理是：电动机旋转驱动与之相联接的圆片，然后由曲形联轴器驱

动，由连杆与三个指头相联结；马驱动圆盘及曲型连杆旋转，由连杆来控制手

爪的开闭。三个指头成一个三角形排列，在被抓持的时候，被握住的物体会受到

相同的压力。本发明的三指手爪设计方案显示了其控制简单、握持可靠等特点。

2.3.3方案分析

机械爪的构造应按其特殊用途而设计，当其功能已确定时，其结构和工作也

就基本确定。当你的爪子拥有更多的自由空间，你的手指就会变得更灵活，你的

目标也会更多，你的控制也会更复杂，制造成本也会更高。

第一种方案：夹钳型的机械手，结构简单，制作成本低，但马达的旋转速度

和手指的运动速度呈非线性关系，导致爪子在抓取物体的时候，会受到很大的阻

力，而惯性力会对无人机的飞行状态造成很大的影响，为了保持稳定，无人机必

须要耗费大量的电力才能保持平衡。同时，它的爪子只能上下移动，很难抓到任

何东西，很难做到一只手同时使用。

方案二：三根手指的机械爪，比二根手指要复杂得多，但在恒定的速度下，

手指的动作也是均匀的，不会有任何的碰撞。所以，它的寿命并不会降低。它拥

有三根手指，可以抓住各种形状各异的物体，同时还能将它们的力量均匀地握在

一起，同时，它的尖端还可以通过摩擦来捕捉各种形状的物体，这是一种非常有

效的双手操作。

10

第3章机械手的结构设计

3.1机械手的结构分析

由于被捕获物体的种类和载入飞行器的飞行距离的限制，这就给机器人的选

择带来了特殊的需求，其结构见图3.1。爪子有三根手指，三根手指呈圆周对称。

由马达控制，三根手指由弯曲连杆连接到马达上，能同时进行开闭，夹持各种形

状的物件。下面的图片是用Pro/E软件实现的救生无人机抓取末端的三维建模。

11

图3.1机械手结构图

其工作原理：在机器人的操作臂靠近被抓取物时，机器人上的传感器会探测

到目标，机器人的位置与被抓取物的中央位置对齐，步进马达的位置传感器被触

发，从而控制与爪子连接的马达工作，然后，机器人的双手握住货物，手指末端

的压力传感器可以检测到所述压力的实时度，并且判断所述的压力是否达到了所

述临界值，所述的阈值是通过试验得到的，并且通过所述的程序来设置。当该阈

值被满足时，机器人的动作会被停止，并且被强片机的捕捉完成。

3.2手指结构设计

该设计使得机械手具有较好的普遍性，在不增加驱动电源的情况卜.，可实现

任意形状的抓取，可广泛地应用，使得系统结沟简化，易于控制。机械手的手指

动作与动力传递方式，主要是利用弯曲连杆和接合的手爪。这种结构可以很好地

适应在无人驾驶时的短程和载量不足的情形。

3.2.1手指数量

相对于两个手指，三个手指能更好的抓取各种形状的物体，且稳定性更好。

配合传感器，可稳定实现对物体的抓取及载运工作。

3.2.2手指的材料

手指材质的选取，对救援无人机的效果起到了至关重要的作用。为俣证手指

具有充分的力量和品质，并满足机械臂的基本结构，本设计所采用的材质为尼龙

6/10o由于尼龙的高机械强度、重量轻、极好的延展性、抗油性、耐酸碱等特性。

12

图3.1单节手指机构运动简图

3.3底座的设计

该机架主要用于安装传动装置和各个爪指，具有结构紧凑、体积小、重量轻

等特点。由丁三个指头的对称结构，它的本体是一个正六角形，用丁固定和支持

手爪驱动马达和手爪。图3.2显示了框架结构。

13

3.4驱动机构的设计

3.4.1驱动方案的设计和选择

目前常用的机械臂传动方式有三种：空气动力、电力动力和液压动力。

(1)气动传动通常以空压机为动力源，采用气压传动制动器对压缩空气进行气

压控制。气动传动具有结构简单、造价低廉、环境污染小等优点，可通过调整气

流、调整转速等优点，但是大型机械的运动速度不稳定、定位精度差、抓取能力

差。

(2)液压传动系统输出力的内部驱动流体压力传动系统稳定、高效、快速、结

构简单，适用范围很广，不需要任何附加的外力，转向也很温和，但是很容易泄

露，污染，费用昂贵，输送性能受到液体的粘性的影响。

(3)一种电驱动模式，利用电脉冲信号控制开环控制单元的直线位移变为步进

电动机的角位移，具有结构简单、响应迅速、不会产生累计误差等特点。采用伺

14

服马达惯性力矩的转子，其动力性能好、精度高、速度快、运转稳定、容易控制。

根据步进电动机的上述优势，步进电动机在此设计中的应用式。

3.4.2电动机的选择

步进电动机，是一种将一种信号转化为与脉冲数量成比例的电脉冲或线性位

移的执行元件。该方法具有如下优点：1)脉冲频率与线速度呈线性美系；(2)不因

环境条件、电压波动和负荷变化而改变；(3)响应迅速，能快速启动、制动、倒车,

并能调节速度；(4)具有较高的定位精度和良好的同步起动性能。

救生无人驾驶机器人手爪的应用环境，对电动机的响应速度、通用性、受环

境影响较低、额定功率低、开环等方面都具有重要的应用价值。在此基础上，选

用了90BF004型步进电动机，其输出功率为6()W。下面是一些主要的选择步骤：

(1)根据最人静转矩和脉冲当量来初选电机型号

(a)步距角

首先初选步进电机型号，从手册中查到步距角”，由于

-^-<5

ix360(3-1)

综合考虑，我初选了a=L5°，‘=4,满足以上公式。

(b)距频特性

步进电机的最大静转矩Mjmax为电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩

Mmq与最大静转矩Mjmax的关系式为：

Mmq，％max(3-2)

电机在没有外加工作负载下的启动称为步进电机空载启动。步进电机所需要

空载启动力矩按下式计算：

Mkq=Mka+Mkf+/V/o(33)

式中：M。为丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Mkq为空载启动力矩;

Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力

矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。

而且初选电机的型号时要符合步进电动机必要的空载启动力矩小于步进电机

15

名义启动转矩，即:

Mkq-Mmq=XMjmax(3-4)

计算Mkq的各项力矩如下：

①加速力矩

人=4+，2=1.8X10-5+MR2//2=1.8X10-5+8.8x10-5=10.6x10-5/Qr•m2

上^_「800且5二4000s.

“max

%x3600.005x360

Mka=人2加[maxX]()-2=(10.6X107+1.8X10一|)X2"X4000x10一=0.519N•加

-60/60x10

②空载摩擦力矩

wGfL()13.96x0.27x4

Mkf=——-=-------------=0.6N•m

27nli2x〃x0.8x4

③附加摩擦力矩

40x4

"喈=x(l-0.922)=1.222N•m

2x〃x0.8x4

M.Kg=M,Aa+MkAj，+Mu。=0.519+0.6+1.222=2.341N・m

=/W,m”=0-95lx25=23.775N・〃？

•nuJmilA

Mkq<M“q

（2）启动矩频特性校核

步进电机分可以为三种工作状态：一种是启动，第二种是快速进给运行，第

三种是工进运行。

前面提出的不能避免电机启动时出现不丢步的现象，只

是为了最大静转矩满足初选电机后，最后在检查电机的要求。因此，后面还要多

一步就是对启动矩频特性进行进一步校核。

步进电机启动有升速启动和突跳启动。

突跳启动时加速力矩很大，启动时不可避免丢步，因此很少用。而升速启动

过程中只要保证升速时间足够长，且启动过程缓慢，空载后动力矩中的加速力

矩MM不会很大。一般不会发生丢步现象，满足要求。

16

3.5螺栓连接的选择与校核

3.5.1螺栓选择

因为轴承受一定横向工作载荷的作用，所以选用较制孔用螺栓。

从《机械设计基础》中表10-1中查得螺栓为:M3x().5,D1=3mm,P=0.5mm。

3.5.2螺栓校核

①根据《机械设计基础》中表10-6选取螺栓材料性能为4.8级，公称屈服极

限。s=320Mpa,由于装配时不要求严格控制预紧力，按表10-8取安全系数S=3。

螺栓的许用应力：口］=巴■=107Mp〃

S

螺栓的拉应力：3x5#=。加工团,满足要求。

成343.14x3?"L」

②因为钱制孔用螺栓受横向载荷，所以螺栓按受剪切进行强度计算。查《机

械设计基础》中表10-7取螺栓的剪切应力为：H=2=125Mpa

2・5

螺栓的剪切应力：r=—「二—必一二0.35Mpa《H，满足要求。

m成i42x3.14x9

第4章三维设计与分析

4.1软件概述

Pro/Engineer简称Pro/E是一款十分常用的三维建模软件。它是由美国参数技

17

术公司开发的，集中了CAD、CAM、CAE为一体。在各行各业中都发挥着重要的

作用，由于他是现在机械领域的新标准，得到业界的高度认同，所以是当今社会

十分流行的三维建模软件之一。

4.1.1参数化设计

在进行建模时，可以把一个复杂的二维模型分成若干元素，每个元素都有自

己的特征，并且受有限的参数约束，这就是参数化设计。

4.1.2基于特征建模

在操作软件的时候，Pro/E内部的系统模型就是所有的三维建模的基石，可

以按照它的特性来绘制，然后通过拉伸、扫描、阵列等操作，最终获得所需的3D

模型。操作简便，易于理解。

4.1.3单一数据库

Pro/E是在一个独立的数据库上创建的，与其它的系统不一样，它是基于多个

数据库。无论其部门如何，通用的数据库工程都是从一个数据库中分离出来的，

每个产品的使用者在各自的仿真和工作中。

4.2三维设计与装配

4.2.1零件三维设计

在Pro/E零件设计模块对各零件进行三维建模，主要零件的建模结果如下：

（1）第一关节

18

图4.1第一关节

(2)第二关节

图4.2第二关节

(3)手指末端

(4)曲形连杆

19

（5）支架

图4.5支架

4.2.2虚拟装配

所谓的“虚拟组装”，就是先将所有的部件进行组装，再将手指与部件连接在

一起，再将手指与底座连接在一起，再将其安装在无人机上。

（1）手指装配

图4.6手指虚拟装配

总成装配

20

装配入无人机

图4.8装配入无人机

21

第5章基于ANSYS的有限元分析

5.1本设计的目的、意义

目前，无人机已经在农药喷洒，播种，电缆检测，婚礼摄影，电影摄影等方

面得到了广泛的应用。它还能安装多种载荷，例如照相机，雷达，红外照相机和

通讯装置，完成摄影、探测和救援。救援无人机是未来社会发展的必然趋势，未

来的科技创新必然是救援无人机研发的必然方向。无人机的迅速发展必然会给人

类的日常生活带来极大的方便，因此，本课题的研究是非常有实际意义的。

当火灾、地震等自然灾害发生时，人们很难在短时间内迅速、精确的抵达现

场，而如果能使用好的救援无人机，就能解决这个问题。充分发挥救援无人机的

作用，拯救更多的人的生命和财产。装备了机械手的救生无人机品种繁多。救援

无人机的建造要根据不同的环境、不同的气候、不同的救援目标而设计，这就需

要根据不同的环境来设计。这也是救生无人机最大的好处。比如，无论何时需要

运送或空投，无人驾驶飞机都可以带上便携的自救装置或者食品和饮水。

5.2ANSYS软件的概述

ANSYS是一种用于分析静力学、动力学、结构分析、流体分析和磁场分析的

软件。这极大地方便了教学科研工作，不管是比较简单的静态分析，还是比较复

杂的动态分析，都被广泛地用于各种生产领域。因为不需要太多的硬件，因此可

以在几乎所有的平台上运行。

5.3ANSYS抓手有限元静力分析

本章运用ANSYS软件对手柄进行了静态分析，确定了手柄的受力状态和应

变状态，并对其最大应力进行了分析，以确定该手柄的最大应力值，以确定该手

柄的屈服极限，从而进一步检验该设计的合理性。

下面是ANSYS中的分析流程图，包含了物料设置、模型创建、网格划分、

边界条件设置、求解计算、结果分析等。

22

▼______________A

贡StaticStructural

2，EngineeringData

3gGeometry?/

_

ModelT

5

SetupT

6亨

Solution一

7T

Results

StaticStructural

图5.1分析流程图

5.3.1材料设置

我们这里使用的材料为尼龙6/10,设置如图所示泊松比，密度，弹性模量,

屈服强度等参数，在ANSYS材料库里进行相应的设置，如图所示。

OutlineofSchematicA2:EngineeringData

ABcDE

1ContentsofEngneefingData32SourceDesaipbon

2eMaterial

FatigueDataatzeromeanstresscomesfrom

30StructuralSteelQ0曹G1998ASMEBPVCode,Section8,Div2,Table5

•110.1

FatigueDataatzeromeanstresscomesfrom

4物就NO□0G1998ASMEBPVCode,Section8,Dv2,Table5

-110.1

ProperfeesofOutlineRow4尼龙6-10

ABcDE

1PropertyValueUnitg职

2留MaterialFieldVariabtes国Table

3囹Density1400kgmA-3二o

4S电Isotropi:SecantCoefficientofThermalExpansion□

6□留IsotropizElasticity□

7DerivefromYoung'sModulu...二

8Young'sMcdulus8.3E+09Pa二□

9Poisson'sRatio0.28□

10BulkModulus6.2879E+09Pa□

11ShearModulus3.2422E+09Pa□

12囹囹AlternatingStressMeanStress71Tabular0

16国归Strain-LfeParameters□

留

24TensilefieldStrength1.3904E+08Pa二□□

25留CompressiveYieldStrength1.3904E+08Pa二0□

26必TenaleUltimateStrength1.42S6E+08PaZ□□

27谒CompressiveUltimateStrength0Pa二□

图5.2材料库里进行相应的设置

23

5.3.2模型创建

这里我们采用三维软件Proe创建了三维模型，然后转成STP格式导入到

ANSYS进行有限元分析，如图所示为本次分析的模型。

图5.3分析的模型

5.1.15.3.3网格划分

材料定义我们定义零件使用的材料，选中材料定义为4()Cr,如图所示。

24

囱刀快•田必打

|gProject

□重Model(A4)

白Geometry

；X°ZHAO

S••/杰CoordinateSystems

而Mesh

田StaticStructural(A5)

Detailsof"ZHAO'Q

GraphicsProperties

Definition

SuppressedNo

ID(Beta)17

StiffnessBehaviorFlexible

CoordinateSystemDefaultCoordinateSystem

ReferenceTemperatureByEnvironment

BehaviorNone

Material

Assignment助-610

NonlinearEffectsYes

ThermalStrainEffectsYes

BoundingBox

Properties

Statistics

图5.4材料定义

网格划分，我们选用加密的网格划分，设置如下。

25

juuiriu-r

Filter:Name▼

囤刀快田④打

fllProjectA

□重Model(A4)

臼•/6Geometry

L...“0ZHAO

0CoordinateSystems

•…,嗓Mesh

0StaticStructural(A5)V

Detailsof"Mesh"q

SizingA

SizeFunctionAdaptive

RelevanceCenterFine

ElementSizeDefault

MeshDefeaturingYes

DefeatureSizeDefault

TransitionFast

InitialSizeSeedAssembly

SpanAngleCenterCoarse

BoundingBoxDiagonal92.9990mm

MinimumEdgeLength2.14940mm

王Quality

田Inflation

+Advanced

-Statistics

JNodes5630

Elements2824

V

图5.5网格划分

如图为划分完成的模型网格。

图5.6完成的模型网格

26

5.3.4边界条件的设置

边界条件设置包括有约束设置和载荷加载。

5.3.5约束的设置

将抓手上下圆柱面设置为圆柱约束，如图所示。

A:StaticStructural

StaticStructuralANSYS

Time:1・sR18.2

;A|CylindricalSupport:0.mm

回CylindrislSupport2:0.mm

叵|Force:-5.N

0.0045.0090X)0(mm)

22.506750

图5.7约束设置示意图

5.3.6载荷加载

根据抓手工作状态，抓手底部加载5N的力，如图所示。

图5.7加载后示意图

27

5.3.7求解计算

插入应力和应变求解器,如图所示进行计算。

臼金|Solution(A6)

••…/11SolutionInformation

电TotalDeformation

电EquivalentStress

图5.8求解示意图

5.3.8结果分析

如图为位移分布图，从应力图中可以看出孤手的应力分布，最大位移位于抓

手底部为0.2341mm。

A:StaticStructural

TotalDeformation

TypctTot^lDcformobon

Unit:mm

Time:1

OmMax

020808

0.18207

0.15606

0.13005

0.10404

0478032

032021

0a026cm

■0Min

图5.9结果分析一

如图为应力分布图，从应力