基于Solidworks的机械手爪运动仿真及有限元分析

陆鹏　石钢　周志浩　程道来　李南坤

【摘 要】 以巴玛克公司自动化钎焊机械手爪为对象，利用SolidWorks开展机械手爪结构设计，三维建模，然后运用插件中motion、simulation对它进行运动仿真分析和有限元分析。最后得到机械手的运动轨迹，作业空间情况，为公司机械手爪后续的优化设计研究提供依据。

【关键词】 SolidWorks 机械手爪 三维建模 运动仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

机器人手爪是机器人可以实现类似人手的功能部件，用来夹持工件或工具，是一个很重要的执行机构。目前在每个领域都有广泛的应用如汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子行业、煤矿机械、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等。随着计算机应用技术的发展，计算机模拟预先实现功能已成为科学研究的一个重要手段，在论证可行性、工程设计合理性和找到最佳方案过程中起着重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成体系，拥有强大的特征创建本领和装配控制能力[1]。本文针对了上海巴马克电气有限公司从德国引进的空调冰箱压缩机自动化钎焊机械手爪进行研究。为将此技术国产化，更优化而开展前期仿真，分析的研究。

1 运动学基本原理

其仿真建模步骤如下：

（1）选取SolidWorks插件中的Simulation，新建一个算例。类型选择静态。选项包括载荷、材料、结果的单位体系等的设置。

（2）材料设置，用户自定义的材料库中选出材料或者从材料库里面选，本设计选择的是合金钢。

（3）约束设置，选择夹具再选择零件的一个面作为固定位置，可以选择一组约束也可以选择几组约束。

（4）载荷设置，使得零件变形的外部载荷或者是指定产生零件应力，如力或压力，本例中所受的压力大小是100N。

3.2 机械手爪有限元分析过程及结果

3.2.1 网格划分及有限元分析

（1）选取运行模块中划分网格模块，根据计算机推荐的网格划分进行分析[3]，也可以设置零件网格的划分程度。本文根据机械手受力情况设置零件网格划分程度。

（2）选取运行模块中的程序运行，观察并分析结果，最小安全系数（FOS），应力情况和变形情况，完成“后处理”步骤。

3.2.2 有限元分析结果

在分析完后，得出相应的变形状况分布图，振动状况，应力分布图，还能以动画方式来显示应力和变形的情况，依据这些生成分析结果eDrawing和HTML报表。

部分报表内容中的材料属性见图3。本设计的弹簧Y方向受力分析图见图4，机械手爪角位移分析图见图5，滑块速度分析图见图6，机械手爪支座振动分析图见图7，机械手爪支座应力分析见图8。

依据这些分析图，可以分析和改进已经设计出来的方案，进而大大简化了设计的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks内部的插件Motion分析弹簧在运动过程中的受力情况，计算出结果并生成图表，如图4弹簧Y方向受力情况。

明确机械手爪上所需要观察的点的运动情况，选择该点。选择运动算例属性，选好所需要的方向，如图5所示该机械手爪角位移情况。

分析过程中的每个运动算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如图6，选择滑块，利用上述方法则可以分析Z方向的线性速度。

在静止状态的机构遭到干扰时，通常会以固定的频率振动，这一频率也称作固有频率或共振频率。实体对每一个固有频率，都呈一定的形状，也称作模式形状[4]。频率分析就是计算固有频率和相关的模式形状。基本原理是ω=。理论上，实体具有无限个模式。理论上而言，关于有限元分析，有多少个自由度（DOF），就有多少个模式。在多数情况下，只考虑其中的一部分模式。

当实体承担的是动态载荷，并且载荷是以一个固有频率振动，所发生的强烈反应便是共振。这里取了5个模式下的振动，如图7分析得到不同模式下的频率以及振动周期。

根据屈服应力用不同的颜色显示各个部位所受的应力状况，在应力分析图（图8）中显示出了零件的屈服应力，所受应力较大的部位超出屈服极限的用醒目的红色表示[5]，受应力比较小的部位颜色较浅用蓝色进行表示。

根据以上有限元分析结果，设计者很容易找出零件薄弱环节，有利于设计者对自己的设计进行修改。应力分析后，SolidWorks中的Simulation还会显示出零件的最小安全系数，由此能够帮助设计者进一步修正设计。

4 结语

运用文中所提到的方法对机械手爪的运动情况，应力分析，从而可以加快仿真出零件在多个概念与情景下的应力状况，缩短了设计周期优化了设计条件。运用SolidWorks来执行机构的仿真模拟可实现计算机对现实情况的仿真，还可以实行曲线等一些复杂机构的仿真，使运动更生动真切，为上海巴马克电气有限公司自动化钎焊技术的进一步改进设计提供了依据。

参考文献：

[1]张晋西.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真技[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]张策.机械动力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韩锐，阮静.基于SolidWorks的运动仿真研究[J].机械设计，2009.

[4]郭晓宁.基于SolidWorks的平面两岸机构实体运动分析[J].西安理工大学学报，2007.

[5]湛迪强.SolidWorks2008宝典[M].北京：电子工业出版社，2008.

【摘 要】 以巴玛克公司自动化钎焊机械手爪为对象，利用SolidWorks开展机械手爪结构设计，三维建模，然后运用插件中motion、simulation对它进行运动仿真分析和有限元分析。最后得到机械手的运动轨迹，作业空间情况，为公司机械手爪后续的优化设计研究提供依据。

【关键词】 SolidWorks 机械手爪 三维建模 运动仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

机器人手爪是机器人可以实现类似人手的功能部件，用来夹持工件或工具，是一个很重要的执行机构。目前在每个领域都有广泛的应用如汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子行业、煤矿机械、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等。随着计算机应用技术的发展，计算机模拟预先实现功能已成为科学研究的一个重要手段，在论证可行性、工程设计合理性和找到最佳方案过程中起着重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成体系，拥有强大的特征创建本领和装配控制能力[1]。本文针对了上海巴马克电气有限公司从德国引进的空调冰箱压缩机自动化钎焊机械手爪进行研究。为将此技术国产化，更优化而开展前期仿真，分析的研究。

1 运动学基本原理

其仿真建模步骤如下：

（1）选取SolidWorks插件中的Simulation，新建一个算例。类型选择静态。选项包括载荷、材料、结果的单位体系等的设置。

（2）材料设置，用户自定义的材料库中选出材料或者从材料库里面选，本设计选择的是合金钢。

（3）约束设置，选择夹具再选择零件的一个面作为固定位置，可以选择一组约束也可以选择几组约束。

（4）载荷设置，使得零件变形的外部载荷或者是指定产生零件应力，如力或压力，本例中所受的压力大小是100N。

3.2 机械手爪有限元分析过程及结果

3.2.1 网格划分及有限元分析

（1）选取运行模块中划分网格模块，根据计算机推荐的网格划分进行分析[3]，也可以设置零件网格的划分程度。本文根据机械手受力情况设置零件网格划分程度。

（2）选取运行模块中的程序运行，观察并分析结果，最小安全系数（FOS），应力情况和变形情况，完成“后处理”步骤。

3.2.2 有限元分析结果

在分析完后，得出相应的变形状况分布图，振动状况，应力分布图，还能以动画方式来显示应力和变形的情况，依据这些生成分析结果eDrawing和HTML报表。

部分报表内容中的材料属性见图3。本设计的弹簧Y方向受力分析图见图4，机械手爪角位移分析图见图5，滑块速度分析图见图6，机械手爪支座振动分析图见图7，机械手爪支座应力分析见图8。

依据这些分析图，可以分析和改进已经设计出来的方案，进而大大简化了设计的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks内部的插件Motion分析弹簧在运动过程中的受力情况，计算出结果并生成图表，如图4弹簧Y方向受力情况。

明确机械手爪上所需要观察的点的运动情况，选择该点。选择运动算例属性，选好所需要的方向，如图5所示该机械手爪角位移情况。

分析过程中的每个运动算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如图6，选择滑块，利用上述方法则可以分析Z方向的线性速度。

在静止状态的机构遭到干扰时，通常会以固定的频率振动，这一频率也称作固有频率或共振频率。实体对每一个固有频率，都呈一定的形状，也称作模式形状[4]。频率分析就是计算固有频率和相关的模式形状。基本原理是ω=。理论上，实体具有无限个模式。理论上而言，关于有限元分析，有多少个自由度（DOF），就有多少个模式。在多数情况下，只考虑其中的一部分模式。

当实体承担的是动态载荷，并且载荷是以一个固有频率振动，所发生的强烈反应便是共振。这里取了5个模式下的振动，如图7分析得到不同模式下的频率以及振动周期。

根据屈服应力用不同的颜色显示各个部位所受的应力状况，在应力分析图（图8）中显示出了零件的屈服应力，所受应力较大的部位超出屈服极限的用醒目的红色表示[5]，受应力比较小的部位颜色较浅用蓝色进行表示。

根据以上有限元分析结果，设计者很容易找出零件薄弱环节，有利于设计者对自己的设计进行修改。应力分析后，SolidWorks中的Simulation还会显示出零件的最小安全系数，由此能够帮助设计者进一步修正设计。

4 结语

运用文中所提到的方法对机械手爪的运动情况，应力分析，从而可以加快仿真出零件在多个概念与情景下的应力状况，缩短了设计周期优化了设计条件。运用SolidWorks来执行机构的仿真模拟可实现计算机对现实情况的仿真，还可以实行曲线等一些复杂机构的仿真，使运动更生动真切，为上海巴马克电气有限公司自动化钎焊技术的进一步改进设计提供了依据。

参考文献：

[1]张晋西.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真技[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]张策.机械动力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韩锐，阮静.基于SolidWorks的运动仿真研究[J].机械设计，2009.

[4]郭晓宁.基于SolidWorks的平面两岸机构实体运动分析[J].西安理工大学学报，2007.

[5]湛迪强.SolidWorks2008宝典[M].北京：电子工业出版社，2008.

【摘 要】 以巴玛克公司自动化钎焊机械手爪为对象，利用SolidWorks开展机械手爪结构设计，三维建模，然后运用插件中motion、simulation对它进行运动仿真分析和有限元分析。最后得到机械手的运动轨迹，作业空间情况，为公司机械手爪后续的优化设计研究提供依据。

【关键词】 SolidWorks 机械手爪 三维建模 运动仿真

【Abstract】 It will useSolidWorks to design structureof Manipulator and to establish theThree-dimensional Modeling based on automated welding robot of Shanghai Bamac Electric Technology Co.， Ltd.，then by using the plug of simulation and motion of SolidWorks，it will focus on the Motion Simulation and Finite ElementAnalysis of the Manipulator.Finally the trajectory and the work space of the Manipulate can be received，and provide a basis of manipulator analysis in order to optimize the manipulator for the company.

【Key words】 SolidWorks Manipulator Three-dimensional Modeling Motion Simulation

机器人手爪是机器人可以实现类似人手的功能部件，用来夹持工件或工具，是一个很重要的执行机构。目前在每个领域都有广泛的应用如汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子行业、煤矿机械、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等。随着计算机应用技术的发展，计算机模拟预先实现功能已成为科学研究的一个重要手段，在论证可行性、工程设计合理性和找到最佳方案过程中起着重要作用。SolidWorks是一套基于Windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成体系，拥有强大的特征创建本领和装配控制能力[1]。本文针对了上海巴马克电气有限公司从德国引进的空调冰箱压缩机自动化钎焊机械手爪进行研究。为将此技术国产化，更优化而开展前期仿真，分析的研究。

1 运动学基本原理

其仿真建模步骤如下：

（1）选取SolidWorks插件中的Simulation，新建一个算例。类型选择静态。选项包括载荷、材料、结果的单位体系等的设置。

（2）材料设置，用户自定义的材料库中选出材料或者从材料库里面选，本设计选择的是合金钢。

（3）约束设置，选择夹具再选择零件的一个面作为固定位置，可以选择一组约束也可以选择几组约束。

（4）载荷设置，使得零件变形的外部载荷或者是指定产生零件应力，如力或压力，本例中所受的压力大小是100N。

3.2 机械手爪有限元分析过程及结果

3.2.1 网格划分及有限元分析

（1）选取运行模块中划分网格模块，根据计算机推荐的网格划分进行分析[3]，也可以设置零件网格的划分程度。本文根据机械手受力情况设置零件网格划分程度。

（2）选取运行模块中的程序运行，观察并分析结果，最小安全系数（FOS），应力情况和变形情况，完成“后处理”步骤。

3.2.2 有限元分析结果

在分析完后，得出相应的变形状况分布图，振动状况，应力分布图，还能以动画方式来显示应力和变形的情况，依据这些生成分析结果eDrawing和HTML报表。

部分报表内容中的材料属性见图3。本设计的弹簧Y方向受力分析图见图4，机械手爪角位移分析图见图5，滑块速度分析图见图6，机械手爪支座振动分析图见图7，机械手爪支座应力分析见图8。

依据这些分析图，可以分析和改进已经设计出来的方案，进而大大简化了设计的工作量，提高了工作效率。

利用SolidWorks内部的插件Motion分析弹簧在运动过程中的受力情况，计算出结果并生成图表，如图4弹簧Y方向受力情况。

明确机械手爪上所需要观察的点的运动情况，选择该点。选择运动算例属性，选好所需要的方向，如图5所示该机械手爪角位移情况。

分析过程中的每个运动算例都是在SolidWorks插件中Motion下分析的。如图6，选择滑块，利用上述方法则可以分析Z方向的线性速度。

在静止状态的机构遭到干扰时，通常会以固定的频率振动，这一频率也称作固有频率或共振频率。实体对每一个固有频率，都呈一定的形状，也称作模式形状[4]。频率分析就是计算固有频率和相关的模式形状。基本原理是ω=。理论上，实体具有无限个模式。理论上而言，关于有限元分析，有多少个自由度（DOF），就有多少个模式。在多数情况下，只考虑其中的一部分模式。

当实体承担的是动态载荷，并且载荷是以一个固有频率振动，所发生的强烈反应便是共振。这里取了5个模式下的振动，如图7分析得到不同模式下的频率以及振动周期。

根据屈服应力用不同的颜色显示各个部位所受的应力状况，在应力分析图（图8）中显示出了零件的屈服应力，所受应力较大的部位超出屈服极限的用醒目的红色表示[5]，受应力比较小的部位颜色较浅用蓝色进行表示。

根据以上有限元分析结果，设计者很容易找出零件薄弱环节，有利于设计者对自己的设计进行修改。应力分析后，SolidWorks中的Simulation还会显示出零件的最小安全系数，由此能够帮助设计者进一步修正设计。

4 结语

运用文中所提到的方法对机械手爪的运动情况，应力分析，从而可以加快仿真出零件在多个概念与情景下的应力状况，缩短了设计周期优化了设计条件。运用SolidWorks来执行机构的仿真模拟可实现计算机对现实情况的仿真，还可以实行曲线等一些复杂机构的仿真，使运动更生动真切，为上海巴马克电气有限公司自动化钎焊技术的进一步改进设计提供了依据。

参考文献：

[1]张晋西.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真技[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]张策.机械动力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]郗向儒，韩锐，阮静.基于SolidWorks的运动仿真研究[J].机械设计，2009.

[4]郭晓宁.基于SolidWorks的平面两岸机构实体运动分析[J].西安理工大学学报，2007.

[5]湛迪强.SolidWorks2008宝典[M].北京：电子工业出版社，2008.