基于虚拟样机技术的机械臂设计方法

郑志荣等

【摘 要】 结合实际案例，分析了基于虚拟样机技术的机械臂设计方法，并探讨可用于特种大型复杂机械的仿真技术方 法。

【关键词】 机械臂；虚拟样机模型；动力学仿真；静力学计算

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.01.018

【Abstract】Combined with the actual case， the design method of mechanical arm based on virtual prototype technology was analyzed， and simulated technology method that can be applied to special large and complex machinery was also explored as well.

【Key Words】mechanical arm； virtual prototype model； dynamics simulation； statics calculation

引言

武汉中央文化区汉街知音广场东侧，设置有用于群众演出的汉街大戏台。戏台采用仿古木构建筑风格，舞台后区布置了3套六自由度的大型机械臂，其端部安装LED显示屏。通过机械臂的各种动作组合，实现LED背景在整个舞台任意空间内的无缝拼接和连续显示，是场内最出彩的设备之一。

机械臂由立柱、后臂、前臂、支座B、支座A和显示屏组成，立柱高度32.02 m，最大臂展27.053 m，显示屏面积11.25 m×6.66 m，每套机械臂重量达270 t 左右。机械臂上共有6个关节，从端部到根部依次为LED旋转屏、支座A、支座B、前臂、大臂和支承柱，如图1所示。

与目前常规的舞台机械相比较，机械臂具有体积大、自由度多、惯量大、速度快、精度高、安全性和可靠性要求高等特点。因此，对这种特型舞台机械的开发不能采用平面设计、样机加工、现场试验这样的传统模式，而应建立其虚拟样机模型，从而进行全方位的数字化设计与分析。通过建立机械臂的虚拟样机模型，将实际产品的外观、空间关系等以图形的方式显示，并模拟其在真实工程条件下的运动学、动力学和静力学特性，根据特性数据不断修正优化设计方案，不仅可提高设计效率、缩短设计周期、节约设计成本，更重要的是可以更大限度地保证设计安全性，提高样机研发的成功率。

1 虚拟样机模型

基于Pro/E软件（3D CAD/CAM系统的标准软件）的变量化设计和实体造型技术，可以完成机械臂各零部件的建模与整体装配。机械臂的主要部件模型有LED旋转屏（roll#01）、支座A（slew#02）、支座B（pitch#03）、前臂（pitch#02）、大臂（pitch#01）、提升缸（lift）、支承柱（slew#01）、配重（balance）等。模型的装配应遵循真实动作原则，并进行模型全方位的干涉检查与修正。其模拟三维模型如图2所示。

Pro/E软件中建立的三维模型应保证与实际产品的完全一致，包括结构细节、各部分材质与密度等，这些将直接影响到分析的精确性。利用Pro/E与机械系统动力学自动分析软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）的接口软件Mechanism/PRO，将准确的实体模型部件定义为若干刚性体部分（Part），并设定一些重要的关键点（Marker），将上述三维模型图导出为ADAMS分析可用的文件。

2 动力学仿真

动力学仿真的意义是替代常规的物理样机试验，将常规物理样机的动作试验、数据采集等在计算机环境下实现；仿真的准确性取决于三维模型、驱动参数等与实际产品的接近程度。

动力学仿真的主要目的有：计算各驱动系统的功率、输出扭矩或输出力，用于传动系统的设计选型；计算各运动关节在运行过程中的速度、位移或转角，用于驱动控制系统设计；计算各部件的运动惯性力，用于校核其结构强度。

2.1 仿真模型

建立仿真模型时，采用ADAMS进行产品的动力学计算，机械臂的动力学模型由Mechanism/PRO接口导出，各部件的惯量、重心等经过Pro/E设计过程校验，可保证与实际产品的一致性；各关节的运动副在ADAMS中建立，主要有旋转副与滑动副两类。机械臂动力学模型如图3所示。

2.2 驱动参数

机械臂包含了主要的直接承受驱动力的运动部件，其中：提升缸由液压系统驱动，启动与制动时间均控制在5 s，以匀加速方式启/制动；其余各部件的运动关节均采用电机驱动，同样在5 s内匀加（减）速启（制）动。但是，如果有意外断电等情况发生，无法控制匀减速停止，提升缸须在应急液压控制元件的保证下2 s内快速停止，旋转关节须在制动力矩控制下快速停止。另外，快速制动产生的惯性力较大，对设备结构有不利影响。主要驱动参数见表1。

实际演出时，机械臂的运动部件会进行不同的组合动作，以配合演员的表演。不同动作对机械臂结构的影响不同，本文综合全部关节启动或制动的恶劣工况，进行动力学计算。动作大致流程如下：slew#01顺时针启动，slew#02逆时针启动，pitch#03向上启动，roll#01顺时针启动，前臂pitch#02向上启动，lift向上启动，各关节启动并达到额定速度后，正常减速至零并开始反向启动，反向达到额定速度（位置接近该状态起始位置）时，各关节以表1中的制动力矩制动，油缸受控2 s内减速至0。

2.3 计算结果

经过计算，每个运动关节均可得到驱动功率、驱动（制动）力矩或驱动（制动）力、启动（制动）加速度、启动（制动）位移等参数，这些数据可为设计选型及强度分析提供依据。因全部计算结果、数据、曲线等信息量较大，无法一一列举，以下仅列出LED屏（旋转关节roll#01）的驱动功率曲线与加速度曲线，分别如图3、图4所示。endprint

运行过程中，驱动功率最大值约为3 kW，考虑安全余量，选择5.5 kW电机；LED屏的最大合成加速度约0.9 ×9.8 m/s2，可作为设备强度计算的依据。

3 静力学计算

近年来，静力学计算已越来越多地应用于工程实践中，可以分析较为复杂的结构，并提高计算的精确性，从而弥补传统经验公式计算的不足，为设计阶段的强度校验和结构优化提供相对准确的分析依据；同时，也使对许多物理样机无法实测环节的分析成为可能。

静力学计算的主要目的有：计算不同受力时各零部件的应力分布；计算各零部件的挠度与受力变形；计算结构的稳定性；结构优化。

3.1 计算模型

采用工程计算中较为通用的ANSYS软件来完成机械臂的静力学计算，其准确性取决于计算模型的前期处理、边界条件的定义和材料属性的设定。

考虑到Pro/E样机模型与静力学计算模型的要求有所区别：前者更注重模型与实际产品的一致性；后者则从软件计算的角度出发，追求一定程度的合理简化，以期得到更高效、更准确的求解。将机械臂的Pro/E模型进行满足ANSYS要求的处理后，导出为可以被ANSYS软件识别的*.igs文件格式，导入ANSYS后，再进行网格化处理并定义材料属性，其主要受力材料均为Q345B（密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3）。

通过动力学分析得到的运动过程中各部件的受力数据，是静力学计算的可施加载荷；各部件独立计算时，需提取部件各连接点的受力；整体计算时，无需考虑部件之间的受力传递，仅考虑整体惯性力即可。而设备的静力学计算需考虑各种运行工况而进行大量的计算，以下仅取其中一例用以介绍此设计方法。

通过动力学计算，得到LED屏在制动过程中的最大惯性加速度为0.9 ×9.8 m/s2，将该值作为强度计算的施加载荷。机械臂的整体计算模型见图5，塔体两端施加位移约束，LED屏施加惯性加速度0.9 ×9.8 m/s2。

3.2 计算结果

经过ANSYS求解器的计算，可得到机械臂整体模型的变形为58 mm，主要是近30 m的悬臂支撑末端的屏幕（自重8 t）产生的挠度，该变形量符合实际设计要求；机械臂的整体应力为57 MPa，出现最大应力点的位置是提升油缸耳座附近，该处有接近6倍的安全系数，可满足设计安全性要求。变形图与应力图分别如图6、图7所示。

4 结束语

本文阐述了一种高效、优化的产品开发方法，并将其应用到机械臂的设计过程中。该方法可以使产品的设计者在虚拟环境中，直观形象地对虚拟产品原型进行设计优化、性能测试和安全分析，这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快设计周期有重要意义。基于Pro/E、ADAMS和ANSYS平台的联合仿真技术也适用于其他特种大型复杂机械的研发与设计。

仿真模拟计算大大简化了样机试验的过程，降低了费用、节省了时间。但是，任何应用软件都有一定的应用条件，其中包括软件本身的局限性以及设计者建模简化程度的不同，故其计算结果大多与实际状况有一定差别。设计者一定要在参考计算结果的基础上，通过丰富的设计经验来分析和判断结果的可信度。必要时，还需进行一些局部的测试，不可盲目采信。endprint