基于Adams & MSC Nastran設計塑料材質的機械手臂

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2023年10月24日 16:49

挑戰

泰國鋼索有限公司是一家汽車和摩托車控制電纜以及汽車車窗調節器的制造商。該公司是日本海德世的合資企業，位于泰國春武里府的工業區，他們的目標是通過生產最高質量的產品，成為世界級的汽車零部件制造商。

泰國鋼索有限公司的技術研發專家一直致力于創新和開發工藝，為成為領先的汽車控制電纜制造商鋪平道路。公司團隊一直致力于開發一種使用聚酰胺等塑料材料的機器人手臂，這是因為目前的鑄鐵制造機器人手臂不僅很重，而且非常昂貴。

所以，泰國鋼索有限公司正在探索使用塑料等替代材料，以降低成本并降低整體重量。為了成功地用替代材料設計機械手臂，泰國鋼索正在尋找一種用戶界面友好且能提供準確結果能力的仿真模擬軟件。

解決方案

圖：機械手臂的結構

如果只是通過物理原型設計，使用具有完全不同的獨特特性的材料設計機械手臂是很難實現的。所以團隊決定進行多體動力學和有限元分析模擬，以更好地了解新材料在機械手臂設計中的性能。該團隊使用海克斯康工業軟件旗下的Adams及Nastran軟件進行多體動力學仿真和有限元分析模擬。

圖：鉸鏈1-5的動態載荷仿真

為了確保設計能夠安全地使用新的塑料材料（在本例中為聚酰胺），團隊使用Adams進行了MBD分析，以計算一個運動周期內組件各個連接點上的載荷。

然后使用Adams計算的載荷，在MSC Nastran中對各個部件進行強度分析，以確保由于這些載荷引起的應力在允許的范圍內。

圖：有限元分析

下面是鑄鐵材料和聚酰胺工程塑料的比較：

多體動力學仿真：

? 總重量減少61.9kg（70.1%）

? 平均動態載荷減少了3043.8N（54.8%）

有限元仿真：

? 平均應力降低了67.7MPa（55.5%）

通過軟件仿真，團隊確信工程塑料聚酰胺的機械性能可以承受最大受力。此外，還發現所有部件的安全系數都大于1.0，這也證明了聚酰胺塑料是可以應用于機械手臂的材料，并有助于實現手臂輕量化的目標。根據動態載荷、強度和安全系數的模擬值，團隊發現兩種材料（聚酰胺塑料和鑄鐵）都符合要求的標準。

結論

通過在CAE中使用多體動力學，該團隊能夠將手臂的總重量大幅減輕61.9公斤（或減少70.1%）。多體動力學也幫助團隊將平均動力學載荷降低3043.8 N（或降低54.8%）。另外，在CAE中使用有限元仿真，幫助團隊將平均應力降低了55.5%，比之前小了67.7 Mpa的應力。此外，與鑄鐵臂相比，該團隊能夠實現材料成本降低15%、組件重量降低70%的目標。

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基于Adams & MSC Nastran設計塑料材質的機械手臂的圖9