基于有限元法的机器人横割断机构优化设计

基于有限元法的机器人横割断机构优化设计

中国是世界上严重的沙漠和荒漠化现象之一。防风固沙已经成为我国生态环境建设的首要任务。国内外都研制了大量的防沙、治沙技术,其中铺设草方格是一种十分有效的阻挡沙丘前进的好方法,而目前我国一直采取人工铺草插草,效率很低并花去了大量的人力和财力,所以,开展草沙障机械化铺设装备的研究已是当务之急。使用草沙障机械装备对流动沙丘的快速治理、改善、修复人类的生存环境有着现实的意义,只有使用现代机械铺设方式取代人工铺设方式,方能达到固沙速度大于沙进速度,这样才能在人沙的较量中占得主动,快速有效的减缓沙漠化的进程。本文对课题组研制的一种智能型的高效多功能铺设沙障机械设备—草方格铺设机器人的割断机构进行了分析。草方格铺设机器人(如图1所示)主要由以下几个部分组成:草方格纵向铺设系统、草方格横向铺设系统、控制系统、液压系统、动力系统、探测排障系统、气动系统和其它辅助系统。本文所研制的割断机构是为实现横向铺设系统(如图2所示)中的草帘绳割断任务而设计的。1切割装置的设计和模型的建立1.1组合之间的组成割断机构的割断动作主要由气缸带动左右两个刀臂向两边运动来完成,如图3所示。气缸由四个螺栓固定在机架上,左右两个滑道也通过螺栓固定在机架上,气缸活塞与左右两刀臂铰接,左右刀臂通过轴承、销轴与左右滑道配合。工作时活塞向下运动推动左右两个刀臂沿着固定的滑道向两边运动,割刀在下降到最低点处将草帘绳割断,然后汽缸活塞带动左右刀臂复位。割刀的线速度与角速度。(1)刀臂与水平滑动的夹角ω=(β1-β2)/t‚(1)ω=(β1−β2)/t‚(1)式中:β1为刀臂在初始位置时刀臂与水平滑道的夹角βi;β2为刀臂在终止位置时刀臂与水平滑道的夹角βi;t为刀臂转过β1-β2角所用时间。(2)线速度v=ωL2=(β1-β2)×L2/t‚(2)v=ωL2=(β1−β2)×L2/t‚(2)切刀在终止时的线速度:v0=[β0-arcsin[(L2sinβ0-S)/L2]]×Ls2/ts0,(3)式中:S为气缸行程;t0为切刀从开始位置到终止位置所经过的时间,一般取t0为0.1s。1.2组织的力分析机构受力分析图如图4所示。(1)工作时压力Ρ=0.8ΜΡa。(2)压力设计F=πR2Ρ×β=π×0.022×0.8×106×30%=0.30159×103Ν‚式中:R为气缸内半径(活塞半径);P为气源压力;β为负载率(慢速时β=65%左右快速时β=30%)。(3)刀臂的力分配给左右两个分支F1=12F/sin50°=0.196761×103Ν。(4)轴承在滑动过程中产生的阻力如下所示F2=12k1F=12×0.05×0.30159×103=7.5Ν‚式中:k1为轴承与滑道之间的摩擦系数。(5)轴承本身旋转造成的阻力F3=12k2F=12×0.002×0.30159×103=0.3Ν。式中:k2为轴承自身转动产生的摩擦系数。(6)由于刀臂和轴之间的磨损，产生的摩擦阻力F4=12k1F=12×0.05×0.30159×103=7.5Ν。摩擦阻力之和:F合=F2+F3+F4=15.3Ν。(7)切割并切割草绳所需的力F6=20∼50Ν。1.3模型的构建采用Pro/E建立的割断机构模型如图5所示。2切割系统的有限分析2.2绝对刀臂力对比将Pro/E建立的模型导入ANSYS如图6所示。由于气缸对两个刀臂的作用力是相同的,只需对一侧刀臂进行分析即可。根据割断机构的运动过程,刀臂在下降到终止位置时剪刀将草帘绳割断,这时是割断机构受力的最大时刻,也是最容易出现破坏时刻,所以只需对这个位置进行有限元分析,建立的有限元模型如图7所示。2.3旋转轴受力分析选择Solid单元里的Brick8node45,弹性模量为200000Pa,泊松比为0.3,采用自适应网格划分。经有限元分析刀臂的受力变形如图8和9所示。从变形图中可以看出最大变形出现在刀与绳接触处,变形量为4.1mm,其它部分的变形都是非常微小。从纵向看刀臂的上半部出现扭曲变形,这种情况对于割断机构比较危险,所以应在此处进行加固;另外为了减小刀臂的横向变形,可以在刀臂拐角处加固。具体加固措施如下:(1)增加刀臂拐角处的导角,由原来的R=20mm增加到R=100mm。(2)加固圆柱件与板件连接处的导角,以增加其支撑作用。(3)圆柱件可以在其中心位置车出一个圆孔,以减轻刀臂的重量。根据改进的结构建立的刀模型如图10所示。受力变形效果如图11所示。从图11中可以看出,经过加固后的模型的变形量明显小于原来模型的变形量,最大变形处变形仅为0.354mm,完全在允许变形范围内。3分配工艺草帘:稻草草帘宽800～900mm;草帘绳有麻丝或棉线搓成,粗1～1.8mm。草帘未经加湿处理,其湿度(相对含水量)为3.5%。仪器设备:按照设计结果加工制造出割断结构,刀具用工具钢,其余材料用Q235。配备气缸、快排阀、两位两通电磁换向阀、电磁铁、空压机,PVC管,三相交流电源。具体型号如下:实验方法:通过割断机构不间断的工作,观察割断机构的受力变形情况和割断效果,以及它与横向插刀的配合情况。实验过程见图12和图13所示。实验结果:每天2～3h不间断的工作后发现,改进后的割断机构未出现过大受力变形等情况,割断效果比较理想,但与横向插刀的配合上还存在偏差。4sys优化模型通过ProEngineer软件对割断机构进行了设计,并将建立的模型导入有限元分析软件ANSYS中进行了模拟分析。对机构的