机器人手爪手指受力变形分析,挠度计算方法,有限元分析应力及应变

机器人手爪通常由气缸和手指组成,其中如何确定手指尺寸是关键,下面通过SolidWorks有限元分析和理论计算两种方式,分别验证手指是否满足材料力学性能和变形量的要求。

经过检验,两种方式的最终结果相差不大。

机器人手爪示意图:

机器人手爪手指受力变形分析,挠度计算方法,有限元分析应力及应变

手指尺寸长200×宽20mm×高10mm,具体尺寸如下图:

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1. SolidWorks有限元分析

1.1 有限元设置

首先简化模型,我们只取手指来做受力分析,在SolidWorks有限元分析中,将夹具设置为固定几何体,选择手指端面即可,具体参见下图:

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然后设置外部载荷,我们在手指另一端面设置200N的力,具体参见下图:

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1.2 有限元分析结果:应力

划分网格并运行之后,应力应变结果如下:

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应力判定标准,手指应力不能超过材料的许用应力。这里特别强调一下,许用应力不是屈服强度,更不是抗拉强度,关于许用应力请参见 http://www.cad2d3d.com/post-1226.html

通过上图可知,某些区域的应力已经超过材料许用应力,这时候就需要对这些特定区域进行优化,比如增加圆角、增加厚度、更换材料等方式。

1.3 有限元分析结果:应变

通过SolidWorks有限元分析,可以直接得到应变结果,应变为1.6mm,具体如下图所示:

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有限元分析不是准确的计算,其分析结果受你设置的限定条件约束,你限定的条件越准确,有限元分析结果越准确。

2. 理论计算

手指相当于一个悬臂梁,材料力学对悬臂梁的挠度有专门的计算公式。

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挠度计算公式:yB=-Pl3/3EI,其中E是材料的弹性模量,I是惯性矩,I=bh3/12。

材料选用304,E=1.9×1011pa,b=20mm,h=10mm,将上述数值带入挠度计算公式,经计算挠度yB=1.68mm,和有限元分析的应变1.6mm,相差不大。

通过上述分析可知,一个长200×宽20mm×高10mm的手指,给末端施加200N的力时,变形量为1.68mm。

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