基于有限元法的機(jī)器人橫割斷機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國是世界上嚴(yán)重的沙漠和荒漠化現(xiàn)象之一。防風(fēng)固沙已經(jīng)成為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的首要任務(wù)。國內(nèi)外都研制了大量的防沙、治沙技術(shù),其中鋪設(shè)草方格是一種十分有效的阻擋沙丘前進(jìn)的好方法,而目前我國一直采取人工鋪草插草,效率很低并花去了大量的人力和財(cái)力,所以,開展草沙障機(jī)械化鋪設(shè)裝備的研究已是當(dāng)務(wù)之急。使用草沙障機(jī)械裝備對流動(dòng)沙丘的快速治理、改善、修復(fù)人類的生存環(huán)境有著現(xiàn)實(shí)的意義,只有使用現(xiàn)代機(jī)械鋪設(shè)方式取代人工鋪設(shè)方式,方能達(dá)到固沙速度大于沙進(jìn)速度,這樣才能在人沙的較量中占得主動(dòng),快速有效的減緩沙漠化的進(jìn)程。本文對課題組研制的一種智能型的高效多功能鋪設(shè)沙障機(jī)械設(shè)備—草方格鋪設(shè)機(jī)器人的割斷機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。草方格鋪設(shè)機(jī)器人(如圖1所示)主要由以下幾個(gè)部分組成:草方格縱向鋪設(shè)系統(tǒng)、草方格橫向鋪設(shè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、探測排障系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)。本文所研制的割斷機(jī)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)橫向鋪設(shè)系統(tǒng)(如圖2所示)中的草簾繩割斷任務(wù)而設(shè)計(jì)的。1切割裝置的設(shè)計(jì)和模型的建立1.1組合之間的組成割斷機(jī)構(gòu)的割斷動(dòng)作主要由氣缸帶動(dòng)左右兩個(gè)刀臂向兩邊運(yùn)動(dòng)來完成,如圖3所示。氣缸由四個(gè)螺栓固定在機(jī)架上,左右兩個(gè)滑道也通過螺栓固定在機(jī)架上,氣缸活塞與左右兩刀臂鉸接,左右刀臂通過軸承、銷軸與左右滑道配合。工作時(shí)活塞向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)左右兩個(gè)刀臂沿著固定的滑道向兩邊運(yùn)動(dòng),割刀在下降到最低點(diǎn)處將草簾繩割斷,然后汽缸活塞帶動(dòng)左右刀臂復(fù)位。割刀的線速度與角速度。(1)刀臂與水平滑動(dòng)的夾角ω=(β1-β2)/t?(1)ω=(β1?β2)/t?(1)式中:β1為刀臂在初始位置時(shí)刀臂與水平滑道的夾角βi;β2為刀臂在終止位置時(shí)刀臂與水平滑道的夾角βi;t為刀臂轉(zhuǎn)過β1-β2角所用時(shí)間。(2)線速度v=ωL2=(β1-β2)×L2/t?(2)v=ωL2=(β1?β2)×L2/t?(2)切刀在終止時(shí)的線速度:v0=[β0-arcsin[(L2sinβ0-S)/L2]]×Ls2/ts0,(3)式中:S為氣缸行程;t0為切刀從開始位置到終止位置所經(jīng)過的時(shí)間,一般取t0為0.1s。1.2組織的力分析機(jī)構(gòu)受力分析圖如圖4所示。(1)工作時(shí)壓力Ρ=0.8ΜΡa。(2)壓力設(shè)計(jì)F=πR2Ρ×β=π×0.022×0.8×106×30%=0.30159×103Ν?式中:R為氣缸內(nèi)半徑(活塞半徑);P為氣源壓力;β為負(fù)載率(慢速時(shí)β=65%左右快速時(shí)β=30%)。(3)刀臂的力分配給左右兩個(gè)分支F1=12F/sin50°=0.196761×103Ν。(4)軸承在滑動(dòng)過程中產(chǎn)生的阻力如下所示F2=12k1F=12×0.05×0.30159×103=7.5Ν?式中:k1為軸承與滑道之間的摩擦系數(shù)。(5)軸承本身旋轉(zhuǎn)造成的阻力F3=12k2F=12×0.002×0.30159×103=0.3Ν。式中:k2為軸承自身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦系數(shù)。(6)由于刀臂和軸之間的磨損，產(chǎn)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)切割并切割草繩所需的力F6=20～50Ν。1.3模型的構(gòu)建采用Pro/E建立的割斷機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。2切割系統(tǒng)的有限分析2.2絕對刀臂力對比將Pro/E建立的模型導(dǎo)入ANSYS如圖6所示。由于氣缸對兩個(gè)刀臂的作用力是相同的,只需對一側(cè)刀臂進(jìn)行分析即可。根據(jù)割斷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程,刀臂在下降到終止位置時(shí)剪刀將草簾繩割斷,這時(shí)是割斷機(jī)構(gòu)受力的最大時(shí)刻,也是最容易出現(xiàn)破壞時(shí)刻,所以只需對這個(gè)位置進(jìn)行有限元分析,建立的有限元模型如圖7所示。2.3旋轉(zhuǎn)軸受力分析選擇Solid單元里的Brick8node45,彈性模量為200000Pa,泊松比為0.3,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。經(jīng)有限元分析刀臂的受力變形如圖8和9所示。從變形圖中可以看出最大變形出現(xiàn)在刀與繩接觸處,變形量為4.1mm,其它部分的變形都是非常微小。從縱向看刀臂的上半部出現(xiàn)扭曲變形,這種情況對于割斷機(jī)構(gòu)比較危險(xiǎn),所以應(yīng)在此處進(jìn)行加固;另外為了減小刀臂的橫向變形,可以在刀臂拐角處加固。具體加固措施如下:(1)增加刀臂拐角處的導(dǎo)角,由原來的R=20mm增加到R=100mm。(2)加固圓柱件與板件連接處的導(dǎo)角,以增加其支撐作用。(3)圓柱件可以在其中心位置車出一個(gè)圓孔,以減輕刀臂的重量。根據(jù)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)建立的刀模型如圖10所示。受力變形效果如圖11所示。從圖11中可以看出,經(jīng)過加固后的模型的變形量明顯小于原來模型的變形量,最大變形處變形僅為0.354mm,完全在允許變形范圍內(nèi)。3分配工藝草簾:稻草草簾寬800～900mm;草簾繩有麻絲或棉線搓成,粗1～1.8mm。草簾未經(jīng)加濕處理,其濕度(相對含水量)為3.5%。儀器設(shè)備:按照設(shè)計(jì)結(jié)果加工制造出割斷結(jié)構(gòu),刀具用工具鋼,其余材料用Q235。配備氣缸、快排閥、兩位兩通電磁換向閥、電磁鐵、空壓機(jī),PVC管,三相交流電源。具體型號如下:實(shí)驗(yàn)方法:通過割斷機(jī)構(gòu)不間斷的工作,觀察割斷機(jī)構(gòu)的受力變形情況和割斷效果,以及它與橫向插刀的配合情況。實(shí)驗(yàn)過程見圖12和圖13所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:每天2～3h不間斷的工作后發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的割斷機(jī)構(gòu)未出現(xiàn)過大受力變形等情況,割斷效果比較理想,但與橫向插刀的配合上還存在偏差。4sys優(yōu)化模型通過ProEngineer軟件對割斷機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并將建立的模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行了模擬分析。對機(jī)構(gòu)的