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摘要：仿真技術是利用計算機虛擬模型模擬真實情況下的一種風險評估。20世紀初仿真技術已經得到應用。20世紀60年代，計算機技術突飛猛進，為仿真技術提供了高效先進的計算工具。直至目前，仿真技術在設計優化領域已經成為無可替代的有效手段。工業機械臂結構復雜、設計周期長、設計難度大。本文將仿真技術應用到工業機械臂的設計中，可以有效提高工業機械臂的設計效率、降低設計風險、減少廢品率。

關鍵詞：工業機械臂;結構設計;仿真分析

工業機械臂是工業機器人中的一種，被廣泛應用到焊接、裝配、搬運、檢測等領域。工業機械臂由于關節較多，結構復雜，其設計中難度較大。本文將仿真技術應用到工業機械臂設計中，對一種六關節工業機械臂進行仿真分析，從而輔助機械臂結構設計，為其結構參數提供有效的理論依據。

1靜力學仿真分析

靜力學分析的目的是驗證機構中各零件在某一特定姿態及受載情況下，是否超過材料的屈服極限而導致零件失效。利用靜力學仿真結果，可以幫助設計人員在沒有實際損失的情況下，以最小的代價確定合理的零部件尺寸，既實現了預定的結構強度，又合理減少了多余重量，降低零部件及加工成本。在SolidWorks中建機械臂的三維模型。當機械臂處于水平狀態時，機械臂底座承受的彎矩最大，因此對此工況進行仿真分析。為了減少計算機資源的消耗，對機構內進行簡化，將不影響分析結果的結構以配重塊的形式附加到機械臂上，簡化后的機構模型如圖1所示。對簡化后的模型進行網格劃分，并施加重力場。在機械臂末端施加10kg的負載，將機械臂底座與地面固定，如圖2所示。機械臂材料設為鋁合金，在SolidWorks中進行靜力學分析，得到如圖3所示的仿真分析結果。從仿真結果看，機構最大應力位于第一關節裝配體密封蓋，最大應力數值為8.034×107N/m2，7075鋁合金屈服極限為5.05×108N/m2，機構在10kg負載下工作時，并無零件失效情況產生。

2模態仿真分析

機構的固有頻率與相應的模態結構形狀是機構設計中的重要參數。對本文已經建立的機械臂模型進行適當的邊界條件設置，即可進行機構的模態仿真分析,得到圖4所示的機構模態云圖。由仿真結果可知，機械臂在此位姿下的前四階模態分別為24.222Hz、25.552Hz、96.1Hz、115.9Hz。根據系統震動方程可知系統的固有頻率為：12kfm(1)由上式可知，系統固有頻率與系統總質量成反比，因此，若要提高系統固有頻率，可以通過減小系統總質量來達到目的。

3關節扭矩仿真分析

為了合理選取工程樣機的各關節電機型號，本文進行了各關節扭矩的仿真分析。在機構末端施加5kg載重，載重中心距機構末端80mm，其中第一至第六關節轉速均利用SolidWorks中自帶的step函數進行模擬，目的是盡量貼近實際情況，使電機速度由0開始平穩加速，最后平穩減至0，加、減速時間為0.2s。在solidworks中進行各關節電機扭圖4模態仿真分析結果矩的仿真分析，可以得到各關節電機最大扭矩，其中第一關節電機最大扭矩41.575N•m,第二關節電機最大扭矩：188.684N•m，第三關節電機最大扭矩23.952N•m，第四關節電機最大扭矩86.772N•m，第五關節電機最大扭矩5.083N•m，第六關節電機最大扭矩22.716N•m。

4結語

(1)本文建立了一種六關節工業機械臂三維模型，并對其進行了靜力學分仿真析、模態仿真分析及各關節電機扭矩仿真分析。(2)仿真分析結果顯示，該機構在極限工況下無失效零部件，機構具有較高的一階模態。(3)各關節電機扭矩仿真分析結果為工程樣機電機選型提供了理論參考。

參考文獻

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作者:李剛 武桐 邊弘曄 單位:沈陽新松機器人自動化股份有限公司中央研究院