基于ANSYS的抓取機械手結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析獲獎科研報告

基于ANSYS的抓取機械手結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析獲獎科研報告

【摘

要】本文主要針對抓取機械手結(jié)構(gòu)進行有限元分析。首先通過三維建模軟件SolidWorks對機械手部件進行繪制并保存，然后利用ANSYS中workbench模塊對模型進行導(dǎo)入，并且對機械手進行整體網(wǎng)格劃分、局部網(wǎng)格劃分、模擬實體載荷加入、添加固定約束，對在機械手模擬載荷下產(chǎn)生的總變形、等效彈性應(yīng)變、應(yīng)力云圖進行對比分析，找出了該機械手在機構(gòu)上最脆弱的位置，并針對該現(xiàn)象提出了優(yōu)化解決方案。

【關(guān)鍵詞】有限元分析;機械手;應(yīng)力云圖;優(yōu)化解決

引言

機械手是一種能模仿人手和手臂的某些動作功能，以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

在機械手的設(shè)計制造過程中需要注意以下幾點。對于機械手來說外形結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足生產(chǎn)需要、材料的選取也要滿足強度要求、應(yīng)力集中部位要滿足材料的強度、剛度等的要求。為了避免出現(xiàn)機械手結(jié)構(gòu)強度不夠或者結(jié)構(gòu)存在重大缺陷等問題，所以在實際加工之前利用有限元軟件對機械手結(jié)構(gòu)進行分析是十分有必要的。

本文主要針對機械手結(jié)構(gòu)進行分析，首先將設(shè)計的手爪的三維模型利用SolidWorks軟件進行繪制，然后結(jié)合ANSYS的workbench的靜定結(jié)構(gòu)分析板塊，通過網(wǎng)格劃分，添加固定約束和外載荷，在考慮安全系數(shù)的前提下在模型上模擬添加最大載荷，并生成應(yīng)力、應(yīng)變云圖等，并且結(jié)合所用材料的屈服強度進行對比，并對結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力部位進行分析，得出具有參考價值的有效結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計建議。

1機械手結(jié)構(gòu)

機械手在工廠的環(huán)境一般是潮濕、高溫的，考慮到機械手的工作環(huán)境，我們設(shè)定機械手的材質(zhì)為不銹鋼，本次模型分析使用的是不銹鋼，其材料屬性為密度是，彈性模量為，泊松比為，拉伸屈服強度和抗拉屈服強度為2。機械手的基本參數(shù)為79mm*70mm*32mm，機械手爪的基本工作原理是利用手爪的側(cè)面擠壓、并且靠折彎部分托底將需要抓取的工件固定，從而實現(xiàn)對要抓取工件的夾緊、搬運、轉(zhuǎn)移，底部的螺栓孔是用于手和機械臂部分的連接。

2機械手建模

利用solidworks繪圖軟件進行三維建模。

3機械手的靜力學(xué)分析

1）靜態(tài)模塊選擇

選擇：“StaticStructural”靜態(tài)分析模塊。

2）材料選擇和屬性設(shè)置

我們所需機械手的材料是不銹鋼，但是默認的材料為結(jié)構(gòu)鋼，所以我們需要進行新材料的添加以及相關(guān)的材料屬性設(shè)置。

建立靜態(tài)分析項目后，雙擊模塊中的“EngineeringData”選項進行不銹鋼材料的屬性設(shè)置。

3）模型導(dǎo)入

右擊靜力學(xué)分析模塊中的“Geometry”選項，將提前保存為“.x_t”格式的機械手模型導(dǎo)入到“Mechanical”中，如圖3-4所示：

4）網(wǎng)格劃分

默認設(shè)定網(wǎng)格大小及其參數(shù)見圖3-5，數(shù)量不能太少，造成網(wǎng)格比較小，但是網(wǎng)格過小將會大大增加計算機的計算量，并且會造成不必要的計算機資源浪費，所以鑒于該機械手結(jié)構(gòu)并不是每個點都是脆弱的，針對可能存在的幾個薄弱部位進行局部網(wǎng)格劃分，經(jīng)過初步分析，兩倒角的位置可能是結(jié)構(gòu)薄弱的地方，所以在兩圓角部位加入局部網(wǎng)格，并且將這兩個局部網(wǎng)格的大小設(shè)為0.001m。加入局部網(wǎng)格后的圖片見圖3-1。

5）添加載荷和固定約束

根據(jù)設(shè)計要求，該機械手設(shè)計的最大的搬運重量為50kg，乘上安全系數(shù)2得100kg，由于兩個手爪共同完成抓取重物的動作，所以每一個手爪受力大小約為500N，并且在夾緊過程中機械手爪也會夾緊工件，所以由于反作用力機械手爪也會受到工件一個向外側(cè)的推力，假設(shè)該推力大小為500N，將兩個受力加入到模型中，在機械手模型的四個螺紋孔位置添加固定約束。

6）添加變形、應(yīng)力、應(yīng)變并進行云圖生成

對于不同載荷下的支架分別添加整體的變形，整體的等效應(yīng)力以及整體的等效應(yīng)變并求解，總變形圖見3-2、等效彈性形變圖見3-3、等效應(yīng)力圖。

4結(jié)果分析

1）整體變形分析

在多載荷的共同作用下的總變形圖中可以看出，最大變形量為2.728mm，并且最大變形出現(xiàn)的位置在折彎薄壁部位。并且兩個圓角位置變形量也較周圍的變形量大，與我們設(shè)立局部網(wǎng)格的位置相同，也證明我們的設(shè)立。

2）彈性形變、應(yīng)力分析

觀察兩種載荷下的等效彈性形變和等效應(yīng)力云圖，不難發(fā)現(xiàn)兩個圓角部位和四個螺栓孔的位置有較大的形變和應(yīng)力，通過比較發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中最大的應(yīng)力仍小于我們材料的極限值，所以本次設(shè)計師合理的，但是圓角部分和四個螺栓孔的位置應(yīng)該在考慮設(shè)計的合理性時需要適當(dāng)?shù)目紤]。

5方案改進

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，結(jié)構(gòu)顯然滿足我們的材料剛度的要求，但是我們也可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)