毛丽凤，杨 昆，林君濠
（广东职业技术学院，广东 佛山 528000）
工业机器人诞生于20 世纪50 年代，是一种通过编程或示教实现自动运行，具有多关节或多自由度，并且具有一定感知功能，如视觉、力觉、位移检测等，从而实现对环境和工作对象自主判断和决策，能够代替人工完成各类繁重、乏味或有害环境下体力劳动的自动化机器。工业机器人不仅将工人从繁重有害的体力劳动中解放出来，还能提高生产效率和产品质量，增强企业竞争力[1]。
Solidworks 软件是世界上第一个基于Windows 开发的三维CAD 系统，功能强大、组件繁多，由于技术创新符合CAD 技术的发展潮流和趋势，使得Solidworks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案，特别在工业机器人工装设计中，其强大的三维建模、模拟装配、运动仿真、应力分析等功能，对后续开展深入研究具有极大的参考意义。
本研究以手机上下料工作站工装夹具设计为例，对其模型、装配、运动、应力等仿真系统进行研究。
工业机器人工装夹具仿真系统选用工业机器人ABB IRB120，设计一种可以实现搬运和吸取产品的复合型夹具，搬运产品选为手机外壳，吸附产品为手机电池。三维模型系统包括机器人本体、法兰盘、连接杆、汽缸、手指等，利用Solidworks 软件中的零件建模模块，可以轻松建模手机上下料工作站工装夹具仿真系统的各个零件，其中工装夹具中用于搬运的末端执行器手指零件图见图1[2]。
该零件需要先绘制直线、圆、圆弧等二维草图，再通过拉伸、拉伸切除、异型孔向导等三维建模命令最终完成零件模型。在绘制时，要充分考虑与汽缸的配合关系、手机的尺寸（包括考虑搬运时手机侧面按键不被挤压），以及手机外壳上下料时汽缸和手指的伸缩活动范围，综合考虑各方面因素，不断构思外观和修改零件参数，最终才能设计出合理的手指三维零件模型。
按照上述绘制零件的方式，依次绘制出连接杆、夹具、上下料工作台等零件，最后运用Solidworks 软件中的模拟装配模块，与工业机器人本体、汽缸等模型实现零部件虚拟装配。本次采用自下而上的装配体设计方式，运用此方法完成的工业机器人工装夹具仿真系统模型见图2。
通过三维模型的建立，可以直观的将零件的参数可视化，同时为工业机器人工装夹具仿真系统的整体设计和评估提供极大便利。
通过使用Solidworks 软件的Motion 模块对零部件进行运动仿真分析，本次以夹具手指夹持手机往复运动过程为例，分析系统模型设计方案的合理性。
单击命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】选项卡，选择【SOLIDWORKS Motion】，进入到运动仿真设置界面。单击【马达】按钮，设置【马达】属性管理器见图3：马达类型选择线性马达，零部件/方向选择手指内侧面，具体见图4，运动形式选择数据点，手指作往复摆动。
点击【编辑】按钮，对数据点具体参数进行设置见图5：选择位移- 时间参数，插值类型选择线性，经计算手指的摆动长度为10 mm，可得马达位移、速度运动路线图[3]。
利用Motion 插件对建立好的三维模型进行运动仿真，可以直观地显示夹持手机的往复运动过程，通过仿真分析结果验证了设计方案的可行性，摆脱缺少实物的限制从而减少资金成本；
也可以把运动过程保存成动画形式方便观看，可为工业机器人工装夹具仿真系统装配工艺提供指导方案，便于进一步设计出最为优化的系统模型。
通过使用Solidworks 软件的Simulation 模块对零部件进行静应力计算，本次以夹具手指零部件为例，分析系统正常运行时手指的静强度和可靠性是否满足设计与工作要求[4]。
单击命令管理器中【SOLIDWORKS 插件】选项卡，选择【SOLIDWORKS Simulation】，单击【新算例】，选择【静应力分析】。具体参数设置分为以下几个步骤[5]：
（1） 应用材料：选择AISI 1045 钢。
（2） 夹具顾问：选择固定几何体，固定其中的一个面，见图6。
（3） 外部载荷顾问：选择力，选择法向力的面，输入力的大小为100 N，见图7。
（4） 最后点击运行此算例得到如图8 所示的静应力分析结果。
通过静应力分析结果可得，与汽缸连接部位受应力影响较小，手指部位受力不均匀，根部所受应力明显大于端部，其中根部转折处所受应力最大，是夹具手指受力的薄弱环节。对此，可以对零部件进行结构优化设计，考虑在两端根部转折处添加半径为10 mm 的圆角，再将此优化设计运用Simulation 插件，重复上述仿真步骤，优化后应力仿真结果见图9，此时应力分布均匀，证实此优化设计可行。
通过使用 SolidWorks 软件的静应力分析功能，可以查找出各个零件的应力分布情况，发现零件中结构强度薄弱环节，进一步采用改进零件结构方式达到提高零件强度的作用，最终提升工业机器人工装夹具仿真系统的综合性能，为后续开展动力学分析和优化设计奠定理论基础。
本研究运用Solidworks 软件的零件建模、模拟装配、Motion 插件、Simulation插件等模块，依次对手机上下料工作站工业机器人工装夹具仿真系统进行模型建立、运动仿真分析、静应力分析等，确保系统设计的合理性和可行性，大大提升了系统的综合性能，也为后续继续开展系统研究奠定坚实的理论基础。
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