基于SolidWorks的机械手三维建模及其运动仿真(二)

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2.2 机械手的运动仿真实现
COSMOSMotion插件是一个集成在Solidworks中的运动分析和仿真模块，其操作简单，容易掌握，给工程师们设计分析带来了巨大的便利。COSMOSMotion可以对复杂机械系统进行完整的运动学仿真和动态静力学分析。若将其仿真得到的大量机械系统运动及动力学参数（诸如每个零部件的约束力曲线、加速度曲线、系统平衡力矩曲线等），运用Excel电子表格进行处理就可以建立起机械系统的动力学模型，求解出机械系统在稳定运转阶段的真实运动规律。
仿真的基本步骤为：用Solidworks对零件进行三维造型、装配，然后转到COSMOSMotion，装配约束将自动转化为仿真模型的约束，添加必要的驱动力、工作阻力，建立仿真模型就可以模拟机械运行状况，对机械进行动力与运动分析。机械手的约束基本为旋转约束，另外有下承梁的垂直平移运动。这些运动都是通过一个液压缸来实现。液压缸活塞杆通过上下垂直运动，驱动液压缸活塞杆安装盘作相应的平移运动，从而带动主撑杆或驱动杆的平移和旋转运动。仿真时，以上承梁为固定部件，其他部件为活动部件。模拟的过程采用简化模型，液压缸的作用起一个传力作用．在模拟过程中将液压缸省去，代替作用于上承梁的力驱动。
当液压缸的活塞杆向下移动时，抓爪执行闭合的操作。当液压缸的活塞杆向上移动时，抓爪执行打开的操作。抓取接触过程中，固紧物体和铲臂指尖的相互作用力构成一对约束反力，力学上它随液压缸中的油压不同而变化，也随固紧物体自身刚度的强弱和接触性质而变化。假设在抓取过程中，不考虑固紧物体的可人性即固紧物体不因铲臂指尖的接触而产生挤压和切人破坏，固紧物体与铲臂指尖产生完全的紧密接触，这在力学上用同端约束条件加以处理。
本文中研究铲臂指尖相距200mm时，抓爪背杆承受的约束力随时间的变化关系。液压缸提供的驱动力从0逐步加大直到200kN，200kN工程上即相当于20t的力。计算中共取200个迭代次数，即大约相当于每一步长（或每0.1s）增加1kN左右的力，进行迭代计算，从而求出抓爪背杆承受的约束力随时间的变化关系。机械手约束处理图如图4所示，驱动力的仿真图线如图5所示。

加入驱动力后，运行motion命令，从而完成运动仿真计算。计算完成后依次生成背杆约束处的约束力，如图6所示。

图6 右边背杆与上承粱垂直方向约束力随时间变化曲缎

图7 右边背杆与驱动杆垂直方向约束力随时间变化曲线

图8 右边背杆运动副垂直方向约束力随时间变化曲线

图6、图7和图8依次表示右边背杆与上承梁的旋转约束、驱动杆旋转约束、三联板旋转约束垂直方向力随液压驱动力变化的曲线图。从图示可以看出背杆的垂直方向受力在任意时间保持平衡。同样可以得到其他方向的背杆受力图以及其他零部件的约束力图线。进行其他位置约束时，同样可以得到其他位置处零部件的约束力图线，这些可作为进一步机械手强度设计的输入数据。(end)