仿真技术在工业机械臂的应用

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摘要：仿真技术是利用计算机虚拟模型模拟真实情况下的一种风险评估。20世纪初仿真技术已经得到应用。20世纪60年代，计算机技术突飞猛进，为仿真技术提供了高效先进的计算工具。直至目前，仿真技术在设计优化领域已经成为无可替代的有效手段。工业机械臂结构复杂、设计周期长、设计难度大。本文将仿真技术应用到工业机械臂的设计中，可以有效提高工业机械臂的设计效率、降低设计风险、减少废品率。

关键词：工业机械臂;结构设计;仿真分析

工业机械臂是工业机器人中的一种，被广泛应用到焊接、装配、搬运、检测等领域。工业机械臂由于关节较多，结构复杂，其设计中难度较大。本文将仿真技术应用到工业机械臂设计中，对一种六关节工业机械臂进行仿真分析，从而辅助机械臂结构设计，为其结构参数提供有效的理论依据。

1静力学仿真分析

静力学分析的目的是验证机构中各零件在某一特定姿态及受载情况下，是否超过材料的屈服极限而导致零件失效。利用静力学仿真结果，可以帮助设计人员在没有实际损失的情况下，以最小的代价确定合理的零部件尺寸，既实现了预定的结构强度，又合理减少了多余重量，降低零部件及加工成本。在SolidWorks中建机械臂的三维模型。当机械臂处于水平状态时，机械臂底座承受的弯矩最大，因此对此工况进行仿真分析。为了减少计算机资源的消耗，对机构内进行简化，将不影响分析结果的结构以配重块的形式附加到机械臂上，简化后的机构模型如图1所示。对简化后的模型进行网格划分，并施加重力场。在机械臂末端施加10kg的负载，将机械臂底座与地面固定，如图2所示。机械臂材料设为铝合金，在SolidWorks中进行静力学分析，得到如图3所示的仿真分析结果。从仿真结果看，机构最大应力位于第一关节装配体密封盖，最大应力数值为8.034×107N/m2，7075铝合金屈服极限为5.05×108N/m2，机构在10kg负载下工作时，并无零件失效情况产生。

2模态仿真分析

机构的固有频率与相应的模态结构形状是机构设计中的重要参数。对本文已经建立的机械臂模型进行适当的边界条件设置，即可进行机构的模态仿真分析,得到图4所示的机构模态云图。由仿真结果可知，机械臂在此位姿下的前四阶模态分别为24.222Hz、25.552Hz、96.1Hz、115.9Hz。根据系统震动方程可知系统的固有频率为：12kfm(1)由上式可知，系统固有频率与系统总质量成反比，因此，若要提高系统固有频率，可以通过减小系统总质量来达到目的。

3关节扭矩仿真分析

为了合理选取工程样机的各关节电机型号，本文进行了各关节扭矩的仿真分析。在机构末端施加5kg载重，载重中心距机构末端80mm，其中第一至第六关节转速均利用SolidWorks中自带的step函数进行模拟，目的是尽量贴近实际情况，使电机速度由0开始平稳加速，最后平稳减至0，加、减速时间为0.2s。在solidworks中进行各关节电机扭图4模态仿真分析结果矩的仿真分析，可以得到各关节电机最大扭矩，其中第一关节电机最大扭矩41.575N•m,第二关节电机最大扭矩：188.684N•m，第三关节电机最大扭矩23.952N•m，第四关节电机最大扭矩86.772N•m，第五关节电机最大扭矩5.083N•m，第六关节电机最大扭矩22.716N•m。

4结语

(1)本文建立了一种六关节工业机械臂三维模型，并对其进行了静力学分仿真析、模态仿真分析及各关节电机扭矩仿真分析。(2)仿真分析结果显示，该机构在极限工况下无失效零部件，机构具有较高的一阶模态。(3)各关节电机扭矩仿真分析结果为工程样机电机选型提供了理论参考。

参考文献

[1]曾祥丹.工业机器人故障诊断技术的发展趋势[J].科技风,2017(8):10-15.

[2]张健.工业机器人轨迹规划与仿真实验研究[D].浙江工业大学,2014.

[3]王子才.仿真技术发展及应用[J].中国工程科学，2003(2):40-44.

作者:李刚 武桐 边弘晔 单位:沈阳新松机器人自动化股份有限公司中央研究院