基于ANSYS的抓取機械手結構的靜力學分析獲獎科研報告

基于ANSYS的抓取機械手結構的靜力學分析獲獎科研報告

【摘

要】本文主要針對抓取機械手結構進行有限元分析。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模塊對模型進行導入，并且對機械手進行整體網格劃分、局部網格劃分、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生的總變形、等效彈性應變、應力云圖進行對比分析，找出了該機械手在機構上最脆弱的位置，并針對該現(xiàn)象提出了優(yōu)化解決方案。

【關鍵詞】有限元分析;機械手;應力云圖;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。

在機械手的設計制造過程中需要注意以下幾點。對于機械手來說外形結構設計需要滿足生產需要、材料的選取也要滿足強度要求、應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)機械手結構強度不夠或者結構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構進行分析是十分有必要的。

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

1機械手結構

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，我們設定機械手的材質為不銹鋼，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。機械手的基本參數為79mm*70mm*32mm，機械手爪的基本工作原理是利用手爪的側面擠壓、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）材料選擇和屬性設置

我們所需機械手的材料是不銹鋼，但是默認的材料為結構鋼，所以我們需要進行新材料的添加以及相關的材料屬性設置。

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置。

3）模型導入

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

4）網格劃分

默認設定網格大小及其參數見圖3-5，數量不能太少，造成網格比較小，但是網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構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格劃分，經過初步分析，兩倒角的位置可能是結構薄弱的地方，所以在兩圓角部位加入局部網格，并且將這兩個局部網格的大小設為0.001m。加入局部網格后的圖片見圖3-1。

5）添加載荷和固定約束

根據設計要求，該機械手設計的最大的搬運重量為50kg，乘上安全系數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的推力，假設該推力大小為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、應力、應變并進行云圖生成

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

4結果分析

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，與我們設立局部網格的位置相同，也證明我們的設立。

2）彈性形變、應力分析

觀察兩種載荷下的等效彈性形變和等效應力云圖，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力，通過比較發(fā)現(xiàn)結構中最大的應力仍小于我們材料的極限值，所以本次設計師合理的，但是圓角部分和四個螺栓孔的位置應該在考慮設計的合理性時需要適當的考慮。

5方案改進

根據有限元分析的結果，結構顯然滿足我們的材料剛度的要求，但是我們也可以進行結構優(yōu)