ANSYS和ADAMS在菌落挑取机器人结构设计中的运用

李体仁，周小琦，，杨文林，黄 超

（1.陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021；2.广州中国科学研究院先进技术研究所，广东 广州 511458）

1 引言

微生物基因组研究被评为世界重大科学进展之一，己被广泛用于农业、医药、环保、轻化工等多个重要领域，实验室探索引领产业化转变，具有很高的经济潜力［1］。在众多的应用中，都会涉及到高通量克隆筛选［2］。然而现如今菌落挑选系统只有国外几家大公司研发生产，且价格十分昂贵。此外，目前大部分菌落挑选机器人都是三坐标联动实现安装在Z轴上的挑针头的移动，这种模式使得菌落挑选过程中的各个动作必须依次进行，极大的限制了挑取的速度，并且挑针头上装配的多个挑针是单独运作的，使得挑针头结构复。

另外，现克隆菌落机器人基本只能实现其自身自动化，系统集成自动化能力较低［3-7］。

这里设计了一款转盘式的菌落挑取机器人，克服了目前市场上菌落挑取机器人存在的以上种种缺陷。转盘上的挑取机构与两侧的平面移动台、清洗装置、加热器相互配合，实现挑取、接种、清洗、加热同步进行，极大地提高了挑取速度，使挑针可循环利用，同时结构更加简单，集成自动化程度高，研发成本更低。并对关键部件即挑取机构进行研究，保证本设计在静载荷下位移变形在误差范围内以及从动转盘在动态情况下运行平稳、准确挑取。

2 菌落挑取机器人结构设计

本设计采用的“转盘式”的独特结构，如图1所示。圆形转盘上均匀分布10个挑取机构，即转盘上的10个工位，分度器控制从动转盘完成36°转动后定时停歇的间歇性动作，工位1、5、7、8、9的上方都设置一个气缸，气缸驱动挑取机构做Z轴方向的运动。

图1 菌落挑取机器人机械结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Structure of Colony Picking Robot

结构运行过程，如图2所示。在通过视觉定位模块确定目标菌落的位置坐标后，控制X、Y平面移动台1移动培养皿到转盘工位1，工位1挑取机构开始挑取菌落，挑针挑取到目标菌落后，挑取机构自动回复。

图2 整体结构设计方案原理Fig.2 Overall Structural Design Principle

经过转盘几次停转到工位5，X、Y平面移动台2移动96微孔板到工位5，工位5挑取机构将菌落接种到96微孔板中，X、Y平面移动台2快速晃动从而让挑针上的菌落脱落，完成菌落的接种。转盘继续转动到工位7、8，这两个工位都安装清洗槽，由于转盘暂停时间固定，而清洗动作是耗时最多的动作，一次清洗不到位达到预期效果，故设置7、8两个清洗工位，分两次完成既满足了时间控制又达到清洗要求。

挑取机构将挑针插入清洗槽中，此时蠕动泵控制清洗液进入清洗槽完成对挑针的清洗。

在清洗之后，转盘转动到工位9，这个工位安装有加热器，挑取机构将挑针插入到加热器中，加热器高温可以在短时间内对挑针进行灭菌。在完成灭菌后，转盘再转动到工位1位置，可以继续下一轮挑取。

集成自动化实现原理，如图3所示。该设计方案中培养皿、96微孔板是通过X、Y平面移动台移动，仪器可以与机器臂、堆板架集成构成自动化实验模块，实现培养皿、96微孔板自动换取，同时整个自动化实验模块可以与其他模块进行集成，这样为实现自动化实验室提供了条件。

图3 整体结构设计方案自动化方式Fig.3 Automation of Overall Structural Design Scheme

3 挑取部件的静力学分析

3.1 气缸安装板和转盘的受力分析

3.1.1 气缸安装板的受力分析

气缸安装板的受力示意图，如图4所示。图中：T1、T2—固定支撑的支反力；G1—气缸安装板的自身重力；F1、F2、F3、F4、F5—气缸部件的重力。

图4 气缸安装板的受力示意图Fig.4 Force Diagram of Cylinder Mounting Plate

所以气缸安装板的受力可以用下式表示为：

气缸安装板采用铝合金6061，可以估算出其所受重力G1为78.36N，气缸采用SMC 滑台气缸MXQ8A，所以其重量F1为9.13N。

3.1.2 转盘的受力分析

转盘的受力示意图，如图5所示。其中，T3—中心支撑的支反力；G2、G3—转盘、挑取机构的重力；F6—气缸对挑取机构的推力。转盘上均匀分布10个挑取机构，其中5个位置受到气缸相同的推力。

图5 转盘的受力示意图Fig.5 Schematic Diagram of Force on Rotary Table

转盘的受力情况用下式表示：

转盘采用铝合金6061，根据设计的尺寸可以计算出其所受重力G2为105.94N，挑取机构的自身重力G3为5.71N。

气缸对挑取机构的推力等于挑针到达最低位置时弹簧的压缩力，可以根据下式表示为：

式中：k—弹簧的刚度系数（N/mm）；x—弹簧的最大形变量（mm）。

压缩弹簧采用不锈钢丝SWPB，其刚度系数k为0.236N/mm，弹簧的最大形变量x为70mm，推力F6为16.52N。所以支反力T3等于128.17N。

3.2 基于ANSYS Workbench的有限元分析

气缸安装板和转盘都采用铝合金6061。将模型导入到ANSYS软件中，首先设置材料属性，然后对设置约束和负载，模型划分网格，最后进行相应的求解［8］。分别求解气缸安装板在Z轴方向的应力应变，以及转盘X、Y和Z向的应变，最终检验设计的位移变形在误差范围内。

3.2.1 气缸安装板的有限元分析

将气缸安装板模型导入到ANSYS软件后，先划分合适的网格，根据对其的受力分析依次添加约束、载荷，然后求解可以得到气缸安装板的应力和位移变形分布，如图6、图7所示。

图6 气缸安装板的应力分布云图Fig.6 Stress Distribution Nephogram of Cylinder Mounting Plate

图7 气缸安装板的Z向位移变形分布云图Fig.7 Z-Direction Displacement and Deformation Distribution Cloud Diagram of Cylinder Mounting Plate

可得的静力学分析结果，如表1所示。气缸安装板的最大应力为2.63MPa，查表知铝合金6061的屈服应力为280MPa，取安全系数为2，则气缸安装板的许用应力为［σ］=σ/2=140MPa，最大应力远小于许用应力，所以强度可靠。气缸安装板的最大位移变形为0.18mm，由菌落挑取定位精度分析Z向的定位精度为0.5mm，气缸的定位精度0.2mm，最大位移变形小于0.3mm，所以气缸安装板的刚度满足Z轴定位精度要求。

表1 气缸安装板的静力学分析结果Tab.1 Static Analysis Results of Cylinder Mounting Plate

表2 转盘的静力学分析结果Tab.2 Static Analysis Results of Turntable

3.2.2 转盘的有限元分析

将转盘模型导入到ANSYS软件后，先划分合适的网格，根据对其的受力分析依次添加约束、载荷，然后求解可以得到气缸安装板X向、Y向和Z向的位移变形分布，如图8～图10所示。

图8 转盘X向位移变形云图Fig.8 X-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

图9 转盘Y向位移变形云图Fig.9 Y-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

图10 转盘Z向位移变形云图Fig.10 Z-Direction Displacement and Deformation Cloud Diagram of Rotary Table

平面定位误差主要包括运动定位误差h1和零部件的位移变形误差h2，只有位移变形误差h2与运动定位误差h1满足式（7）时，才可保证菌落挑取平面定位精度。

在仪器设计时挑取机构的定位误差设定值，如表3所示。根据表3给出的设定值，由式（8）可计算出挑针运动定位误差h1，等于0.076mm。

表3 挑取机构定位误差设定值Tab.3 Setting Value of Positioning Error

由表2 和式（9）可以计算转盘的平面位移变形h2，等于0.0032mm。根据以上计算可知，满足式（7），即就是转盘的刚度满足菌落挑取定位精度要求。

式中：h1—挑针运动定位误差（mm）；h2—转盘的平面位移变形（mm）；r—挑针在极坐标下的半径值（mm）；l—挑针在极坐标下半径定位误差（mm）；θ—挑针在极坐标下角度定位误差（度）；∆x—转盘在X方向的位移变形误差（mm）；∆y—转盘在Y方向的位移变形误差（mm）。

通过对气缸安装板、转盘的有限元分析，发现其在静力载荷作用下的位移变形在仪器设计的误差范围内，其刚度满足气缸在Z向定位以及挑取机构在平面定位的设计要求。

4 菌落分度挑取机构动力学分析

4.1 菌落分度挑取机构理论运动规律设计

在本设计中弧面分度凸轮转速n为30r/min，由式ω1=2πn/60可以计算出主动轴角速度ω1为πrad/s。弧面分度凸轮的动停比为1，即tf/td=θf/θd=1。由式（10）弧面分度凸轮主动轴分度转角θf和停歇转角θd等于180°。由式（11）可得停歇时间等于转动时间等于1s。

对于本设计中的高速机构，为减小惯性力，改善动力性能，要求无刚性或柔性冲击在四种从动件的运动规律中选择正弦加速度运动规律，由此设计凸轮的轮廓。

4.2 菌落分度挑取机构动力学仿真模型

菌落分度挑取机构模型，如图11所示。首先将菌落分度挑取机构的三维模型以“.X_T”格式文件导入到动力学仿真软件ADAMS中，构建其动力学仿真模型。在ADAMS软件中，为模型设置材料属性，添加重力加速度、定义约束、定义接触力等［9］。

图11 菌落分度挑取机构模型Fig.11 Model of Colony Indexing Picking Mechanism

（1）初始设置。定义模型的重力加速度，将弧面分度凸轮和分度盘的材料都设置为steel。

（2）添加约束。将弧面分度凸轮与地面定义旋转副，分度盘与地面定义旋转副，分度盘与转盘定义固定副，分度盘与弧面分度凸轮定义为接触副。

（3）接触力定义。为了精确模拟真实弧面分度凸轮的运转情况，这里需要设置弧面分度凸轮与分度盘之间的接触力。弧面分度凸轮与分度盘的接触基本上是单次碰撞，所以采用冲击函数可以计算。在仿真过程中需要计算接触刚度。接触刚度可以用下式计算：

式中：1/R=1/R1+1/R2，R1—凸轮的当量半径；R2—从动盘滚子的当量半径。

式中：μ1—弧面分度凸轮的泊松比；μ2—滚子的泊松比；E1—弧面分度凸轮的杨氏模量；E2—滚子的杨氏模量。将参数代入式（12）中计算K等于7.5×105N/mm2。

（4）驱动定义。在凸轮与大地之间的转动副上添加电机驱动并设置转速为180°/s。

（5）求解器设置。首先为了能够更加精确地计算加速度和凸轮与滚子之间的接触力，这里应该选择计算精度更高的求解器。积分求解器选择WSTIFF，积分格式选择SI2。

4.3 基于ADAMS的动力学仿真分析

根据以上设定，在ADAMS 软件中进行动力学仿真，在ADAMS 软件postprocessor 后处理模块对仿真结果进行分析，最终得到转盘的角位移、角速度、角加速度变化曲线和弧面分度凸轮机构中分度盘所受的负载转矩变化曲线，如图12～图15所示。

图12 转盘的角位移曲线Fig.12 Angular Displacement Curve of Turntable

图13 转盘的角速度曲线Fig.13 The Angular Velocity Curve of Turntable

在一个周期内转盘的角位移、角速度、角加速度的变化曲线，如图12～图14所示。在分度时间1s内其角位移为36°，在停歇时间1s内转盘处于停歇状态，所以整个位移过程与理论位移完全吻合；角速度是正弦曲线，在分度期中最大角速度达到80°/s，与理论角速度曲线完全符合。与弧面分度凸轮从动件的理论修正正弦加速度运动规律基本符合，最大角加速度达到487°/s2，在后期减速过程中角加速度波动幅度相对较大，主要是由于弧面分度凸轮所拖动的负载转动惯量与弧面分度凸轮机构自身的惯量相差较大所引起的惯性冲击。但整个冲击处于合理范围，并且很快衰减，在时间为1s左右角加速度基本很快降低为0，与理论角加速度变化情况相符。图15为弧面分度凸轮机构分度盘所受的负载转矩变化曲线，其变化趋势与转盘的角加速度变化趋势一致，最大负载转矩为17N·m。

图14 转盘的角加速度曲线Fig.14 Angular Acceleration Curve of Turntable

图15 分度盘负载转矩曲线Fig.15 Load Torque Curve of Indexing Plate

根据菌落分度挑取机构的动力学分析仿真结果可以看出，在挑取过程中转盘的角位移、角速度、角加速度变化情况与理论变化趋势基本吻合，在起动和停止时刻并没有出现大的冲击，从而保证了菌落挑取机构的运行平稳。

5 结论

这里设计了一种可多针同时独立工作、转盘式的新型菌落挑选机器人，并对核心的挑取接种模块进行设计和研究。包括利用有限元分析软件ANSYS Workbench对转盘和气缸安装板这两个直接影响挑取精度的零件进行静力学分析，以及利用仿真软件ADAMS对分度盘所受转矩和与分度盘固定副连接的转盘的运动结果进行仿真分析。

最终静力学分析结果表明气缸安装板的Z轴定位精度和转盘的平面定位精度满足性能要求；动力学仿真结果表明转盘满足从动件正弦加速度运动规律。

本设计挑取部件在静态、动态情况下都能实现运行平稳、准确挑取。