基于虚拟样机技术的移液机械臂的设计与研究

1 引言

    黄芩苷(Baicalin，BC)是中药黄芩中的主要成分，具有抗炎、抗变态反应(HIV)、泻火、解毒等作用。鉴于其物理化学特性，目前，对黄芩苷分离提纯主要采用结晶法。

    虚拟样机技术的基础，主要包括五个方面：几何建模、多物理场仿真、系统动力学仿真、控制系统仿真和样机测试。运用虚拟样机技术，可以大大简化机电产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期和降低开发费用，提高产品的系统级性能。

    移液机械臂在结晶法制备黄芩苷的过程中具有重要作用。通过减少人为因素的干扰，能够降低批间差，提高生产效率，为黄芩苷的在线生产打下基础。为了降低成本，减少反复试验的次数，运用、ADAMS、MATLAB建立基于虚拟样机技术的机械系统和控制系统，运用ANSYS对机械系统关键零部件进行有限元分析。最终，评价建模和仿真的结果，优化设计方案。

2 虚拟样机机械系统设计

    2.1 需求分析

    在结晶法制备黄芩苷的过程中，移液机械臂应快速准确地将装有黄芩提取液的移液管由水浴烧杯搬运至激光粒度仪进样区域，并驱动移液管取样和放样。

    要完成以上任务，移液机械臂需要具有四个自由度，分别是腰部转动、工作平台上下移动、执行机构定轴转动、操作末端驱动移液管活塞上下移动，机构简图，如图1所示。

    图1 机构简图

    2.2 机械结构设计

    为了准确建立移液机械臂的三维模型，选用SOUDWORKS三维设计软件。移液机械臂的四个关节包括两个转动关节和两个移动关节。为了提高传动精度和机械系统的刚性，腰部转动关节采用直流伺服电机匹配精密行星轮减速器的传动系统，移动平台采用直流伺服电机匹配精密行星轮减速器驱动精密滚珠丝杠的传动系统，腕部转动关节采用高精度舵机传动，执行机构采用高精度舵机匹配凸轮机构进行传动。

    2.3 运动仿真系统设计

    ADAMS具有强大的仿真计算能力，但是不方便建立精确复杂的三维模型，多数情况下采用三维设计软件设计三维图形再导入ADAMS中。应用ADAMS对模型进行分析，为了缩短仿真时间和难度，在保证仿真精度的前提下，可以对模型进行适当简化。首先，将三维模型以Parasolid格式导入ADAMS中，读入方式可以是以模型(Model)方式或以构件(Part)方式分层引入或整体引入。其次，依次为各个构件添加几何属性和质量属性，底座构件采用A3钢材质，支架类构件均采用铝合金材质，导柱类构件采用合金钢材质，执行机构部分采用尼龙66材质。再次，在调整好坐标系、图标、工作网格后，依次添加各个构件之间的运动副和约束，主要涉及螺旋副、移动副和转动副等。在有回转运动的关节处添加转动约束，在有移动关系的关节处添加移动约束，在丝杠与大螺母部分添加螺旋副约束，在没有相互运动关系的连接处添加固定约束。最后，添加驱动力和运动激励并进行仿真，通过曲线图观察运动参数的变化情况。依此顺序，通过对三维模型进行仿真，评价设计方案的可行性。