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足球直播抓取机械手的运动仿真及腰部

发布时间:2020-12-11 06:34

  抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析_信息与通信_工程科技_专业资料。第35卷第∞期 文章编号:100d一2539{2011)∞一0043—03 抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析 抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析 王鹏1朱龙英2 (1Ⅱ苏大学机械工程学院,

  第35卷第∞期 文章编号:100d一2539{2011)∞一0043—03 抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析 抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析 王鹏1朱龙英2 (1Ⅱ苏大学机械工程学院,江苏镇江212013) (2盐城I学院机械r程学院+江苏盐城224003 摘要运用UG对抓取机械手建立妾体模型,同时运用uc的运动分析模块对机械手的大臂部位、 以度末端执行器进行了运动仿真。机械手在工作过程中有可能倾倒,腰部在爱到过大的力矩的作用下 发生弯曲,从而影响了机械手在竖直方向的运动。运用嵌入uG的Nastran对腰部结构进行有限元分析, 得出最走应力,井与计算应力相比较,为机械手的平稳工作以厦以后的改进工作提供了保证。 关键词机械手运动仿真有限元分析 Motion Simulation of Grab Manipulator and Finite Element Analysis of Its Waist n鲫e目1】19.Jia, Wang Ppn91 Zhugb…eUnngJyvle哥rslty.曲㈣212013西m) (2洲d(MIeScchhaodnidcaMel^蛐sai。cal5mg.Ysachengl…d‰㈦啊.Yaache”92姗,删M) the鼬manipulator Abstract The solid model of is established by using UG,at the.《ame timet by using the moment.th㈣the motion analysis module of UG,岫manipulator ann position and the end of the眦tumor motion simulation a咒earried out Forthe problemthatthemanipulator easily叫psizeinthe process ofwork.waist can be bent bythe exee*sivemle 0f the overttmfing ment of robot in the vertical direction Using Nsstnm embedded Io UG,山e finite eleraent analysis of waist is caIried OUt,maximum su∞is obtained,cⅫpⅢ_ed wlth the ec,lculated stres8,the ca—m*nt of the smooth work,and the future ki口improvement of the manipulator is provided Key words Manipulator MotiOil simulation Finite element analysis 0引言 机械手是最早出现的工业机器人,也是摄早出现 的现代机器人,它可代替人的繁萤劳动以实现生产的 机械化和自动化。机械手主要由手部、运动机构和控 制系统三大部分组成。在工作过程中腰部是连接底座 和大臂的关键部位,也是承受弯曲应力的主要部位.因 此在设计中必须保证腰部的强度,本文中我们通过TIC, 的有限元分析模块(Nastran)对腰部的受力进行分析, 找出最大应力点,并与计算应力相比较,同时运用运动 仿真模块(ADAMS求解器)对腰部的运动进行了仿 线末端执行器模块 末端执行模块是直接执行作业任务的装置,有机 话誉jj惑,¨]|::j、豳渺 械式、吸附式两类,驱动方式有液压、气动等,本机械手 采用三爪气动式结构。 , /、 :辅■-叮 、 \1, J。一一,一‘ fal g轨*#机目 l 2臂部模块 大臂和小臂做回转运 动,分别采用两个伺服电机 驱动大臂和小臂的旋转运 动,实现大臂和小臂的旋转。 l 3腰部模块 要求腰部模块在竖直方 【c1《8 阿l腰部模块 万方数据 机械传动 2011年 向上移动,采用缝杠螺母传动机构,螺母同定,丝杠在 安装在底座下面的伺服电机的带动下运动.实现机械 手在蜷商方向上的运动,简图如图l所示。 l 4利用UG软件完成机械手的装配 利用tJG的自顶向下的建摸方式建立装配模型,进入 装配环境之后,进行添加绀件命令,将各个模块插入,并 进行装配约束,完成机械手的装配建模.如图2所示。 罔2 I件搬运机械手 装RⅧ 圈3工件搬运机器 人轩件坐标系 2运动学分析 2 l运动学正解 机器人的正运动学问题【2】是 已知各杆件的几何 参数和戈竹变量,求末端执行器相对于给定坐标系的 位置和姿态。在此,利用D—H法建立坐标系转换矩 阵,建立杆件坐标系如图3所示。 A,2 cos“一sin0 J sin01 cos01 00 00 1 01 0 lJ 0 0] A2= 00 1 dIl 0 lJ 0 02。暗如 0 a2%如 A,: :羞。: l 0 。删:塞。础薹 0 l 式中,A㈣A、A,分别为腰部模块关节变换矩阵、大臂 部关节变换矩阵、小臂部关节变换矩阵,由此可以求得 机械手末杆的位姿矩阵 o。s(口l+口2+如) gin(日I+口2+日3) T=Al A2A3= 0 0 -sln(日l十02+口3) 0 02c∞(吼十如+岛) c∞(矾+&十如) 0 d29in(日1+82+口3) 0 1 d. O 0 l 标中的速度与各关节速度之间的关系,以及手部与外 界接触力与对应各关节力间的关系‘…。 .^l^-==bo。×o,,0。。。==l[i0 i0 iI]|=f=Ll0:一:^Jll 。n n n。 ^:=s。×r..,=a。×r。。=[i i i]=[::]cz, ^。=s。×r:。=[≥],-j-=[;],^。=[}], 拓胁 J1=l—n—n 0 0 0 0]7 Jz=【一P,一P, O 0 0 1]7 ^=【一九一^ 0 0 0 1]7 其中,n、n、n为机械手末杆相对于基坐标系的向 量,由D—H矩阵可以求得。 则抓取机械手的雅可比矩阵为 J(g)=[JI J2 J3]’ 3运动学仿线机械手的运动顺序 在:【作台上有一工件.首先机械手需上升一段距 离,然后在水平方向上,大臂回转一定的角度,转到接 近工件的位置,此时.机械手并没有到达指定的位置, 接着小臂回转到丁件的正上方,机械手下移,末端执行 器中的气缸活塞杆在气压的推动下张开手抓,到此已 经完成工件的抓取工作;下一步将工件放到需要加工 的位蹬,首先小臂往相反方向回转指定的角度,再次大 臂凹转.此时已经到达加工工位.气动手爪中的气缸活 塞杆I.IN原来的位置,手抓松开,完成工作任务。 3 2 STEP函数实现运动顺序的控制 按j!fi 3川一的工作顺序,将时间合理分配给各个 动作,町以利用STEP函数实现运动顺序的控制,STEP 函数有两种表达形式,一种足嵌套式,另一种是累加 万方数据 第35卷第05期 抓取机械手的运动仿线 式,本文中我们采用累加式,其中的自变量为时间 (time),变量为位移,形式如下 丝杠:SrIEP(time,0.5,0,1,40)+STEP(time,3,0, 3.5,一40); 螺母:sTEP(time,0.5,0,1,40)+S肿(time,3,0, 3.5,一40); 导块:STEP(time,0.5,0,1,40)+STEP(time,3,0, 3.5,一40); 大臂:sTEP(妇,1,0,1.5,120d)+S肿(t妇,5,0, 5.5,一120d); 小臂:STEP(time,2,0,2.5,100d)+SIEP(ti龇,4,0, 4.5,一lood); 其中,d表示每秒转过的角度。 3.3仿线仿真设置 仿真的驱动设置为函数驱动,分 别将各个运动副的STEP函数输入[4|,在解算之前首 先设定两个跟踪点(A001、A002),分别为大臂与小臂 接触处的圆的圆心,机械手手抓与小臂接触处的圆的 圆心,点击解算方案,求解器设定为ADAMS,仿线绘制曲线 在后处理中选择作图命令,分别 做出大臂、末端执行器的速度、加速度曲线。 f 营 l 菩 f 潮 l 】,I ~ ^^ ’、 rJ .......J I .厂]. 产盖日蜀晕毯增最 V l。 时问居 图6末端执行器的加速度曲线 n 萋 ,l n JL 1 .n, 簧 I/ If ’ V 时闻/s 图7末端执行器的速度曲线受力模型 受力模型如图8、图9所示,其中,Gl、G2、G3分别 为抓取物体的重力、小臂部的重力、大臂部的重力,腰 部自重记为G4,£l、如、L3分别为腰部离底座的距离、 大臂长度、小臂长度,F、肘为将各力平移到腰部所产 生的等效力以及力矩。 时间,| 图4大臂处的速度曲线.O ..一j l l .208.0 e奢目),趟潮最 l 图5大臂处的加速度曲线仿真结果 经过仿真,可以看到大臂部位、 以及机械手的末端速度、加速度变化曲线,与所设定的 STEP函数相一致,在时间跳跃处速度、加速度相应的 发生突变,但是这种运动势必会对机械手造成极大的 冲击、振动;通过仿真,该机械手可以到达指定位置,对 物料进行抓取【5.6J。 图8机械手受力模型 图9腰部受力模型 4.2应力计算 4.2.1公式法求解应力 由图9所示,可知腰部的 应力状态为组合应力状态,压缩和弯曲组合。 由 口篙=l署±瓦Ml≤[盯],职=号 (3) 可以得到腰部的最大压应力盯一发生在离中性轴 最远的边缘上,在最大应力相对边缘上可能有最小的 压应力、最大的拉应力或在该处的应力值为零,根据, 和膨的不同大小。 F=GI+G2+G3+G4 M=G3鲁+C,2(L2+iL3)+cl(£2+£3) (下转第55页) 万方数据 第35卷第05期 高速双针平缝机振动与噪声分析 sm州vd州…1998 并利用ADAMS软件建立了相应的虚拟样机分析模璎。 b“刊p…u懈r呲山时 分析了振动系统参数在不同的激励频率下对机身振幅 211(5)洲一18 5]鼬w sw.‰【口峭P J A睁1础c日IIy 和基础振幅的影响为双针平缝机的进一步优化没计和 dieeel一唧曲以妇删啪f川 【川&u“Vlh呲l∞.1983;90(1)129—55 6]INei“F,pr酬w地册。岬Jn 减振隔振设计及降低噪声提供理论依据。 (2)通过研究机构在受到一定激振力矩时产生位 S,蚶州A^mmdl’%.&L啪h邮anI㈣Ⅷ一 N训lr眦r Iht唧a,1994(5)W一蚱 7 J HⅢmⅡ∞n 移响应,得出系统在1000—5000Hz之间响应情况比较 c∞∞d∞rb∥”州由删∞in exible rlmIllhb 9ym帅lJ J‰d 丰富。 vh。m岫t即;22I(4):709—732 8]裒t杰.目哲勤多刚体系统动力学[M]|匕京:|匕京理】:大学m ' 考 女 ■ 版社,19‘'//::l订一狮 1]周舂艘幸自动r业平缝机控制系统的研翩[D]哈尔滨:哈承演 In大学.2瞄:45—4,5 21李志闫,祁文军.孙空磊,等I业平箍机虚拟样m的动平衡厦模 卷分析研究[J]机械工程与自化.2嘲,(12):32一M 3]9∞一A.№栅k^Bf。删m一脚d一∞∞q旧一d 4]脚h“姆Ⅳcd叩jm.qⅢlVri。r畔ghmmLtdhNek呻女mI艄旧№ic^畔由-IⅢ拥gfo帖州r4d自.”∞Ⅲi女n(劬—I∞dd8)Ⅲ蚰:洲咖m[J—][P'w川ailm 9】斩r.虎.※如瞄.柬自冰,等Ⅲ空自*轮传动系统舯耦台振动分 析[J]机械科学b拄术.姗,∞(1)lM一132 10]皋舂震.来it。刘永贤,等基f^I)^孵的并联机器人振动特 性仿直及结构优化【J】幕毓仿线 基金项H:浙?c省自然科学基金资助项¨(yl值9974) 台"gn拄¥学院搏±%2资助项H(0瞄黜¨ 作者茼升:旅国庆(19晒一),男,靛目富平人.博±后.副敷授 (上接第45页) 式中,Gl=30N,岛=20N,c3=30N,G4=20N.Ll= 100ram,£2=300,砌,如=烈№,6=50,h=30,F= 100N,Ⅳ=27 5N·lit,其中惯性矩‘可由组合截面的惯 性矩来求得。经过计算可以求得口一=5 87MPa。 4 2 2有限元法计算应山 用嵌入UG的Nestran, 经过划分网格。定义材料届性,添加边界条竹,以及施 加载荷,得到腰部的位移云图以及应力云豳,如罔10、 图1l所示。 “1 歉霉 §鼎 l薷 嘲lO腰部倚移E嗍 由图10、图11可知: (1)应力分析结果 可以从应力云图I.看出最 大应力为5 38MPa,与计算结果5 87MPa相比,二者相 差为8 3%.计算应力与分析结果相差不大: (2)位移分析结粜 从位移云图L可以看H{最 大位移为1 29×10。2n帅,发生在圆形的边缘处,其中 间部位的位移达到T 4 2 x 10~film,这种位移姑使得 机械手在竖直方向上的运动精度降低.抓取物体的照 量达到一定值的时候,则机械手将有可能出现倾倒的 危脸,这种情况是不允许的,必须避免。 5结论 利用D—H法建立坐标系转换矩眸,同时建立了 机械手的雅克比矩阵;利用UG的运动仿真功能对机 械手大臂部位、以及末端执行器进行了运动仿真,得到 了其加速度、速度曲线;用嵌人UG的Nastran对腰部进 行了有限元分析,得到分析结粜.并‘j计算应力矧比 较。说明了分析的可靠性,得到丁机械手在载荷作用下 的变形以及应力情况.为改善其抗倾覆能力提供了可 靠地分析方法,同时为以后的改进工作提供r保证。 ’I]马秋成.帏刺芽.F益宁.等IJc.--c^E椅[M]北京机槭12姐m 《#。m:34一176 2]柳洪义.束伟刚帆§人技术基础[M]北京:冶盘I业出版牡. 20。2:16—311 [引付官利.李嚷.皤博基于^D^雌的艉姒平台的内窥镜撵作机器 人运动学分析【J]机械r程师,2007(7)l∞一105 [4】张敏.打秀华,吴一红基f^D^MA帕2自…度水下机械手t萄 学仿真[J]机槭醴汁j制造,2嘶.7(7):s5一% [5】蔡则苏,洪炳熔,刘{强,足球直播等基f虚拟样机的It球掾谢n器人运 动学建棋【们啃尔藏I.业大学学报+2004.36(2)2∞一214 [6]席思文,车伟光.F玮锖.等 -种搬4m械f的《动学仿真研究 口]制琏业信息化,2啪.38(2):21—24 收穑日期:20101lff2 作者简介t鹂(19%一),*.m求女&人.在凄研究目 万方数据 抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 王鹏, 朱龙英, Wang peng, Zhu Longying 王鹏,Wang peng(江苏大学机械工程学院,江苏镇江,212013), 朱龙英,Zhu Longying(盐城 工学院机械工程学院,江苏盐城,224003) 机械传动 JOURNAL OF MECHANICAL TRANSMISSION 2011,35(5) 本文链接:

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