基于ANSYS的机器人系统龙门行走装置有限元分析

张毅勃

（河钢股份有限公司唐山分公司一钢轧厂，河北 唐山 063016）

1 概述

数据驱动机器人系统主要应用于焊接底座类焊接件，根据产品多年的使用反馈，发现该焊接系统在启动制动过程中震动比较大，对焊缝的质量有影响，所以说，其还有较大的改进空间。因此，考虑机器人在保证焊接系统强度、刚度的基础上，进一步减小焊接过程中产生的震动[1-4]。

机器人焊接时需要X轴、Y轴参与动作，但这样容易产生抖动。机器人传感时快速回退振幅最大可达10 mm，严重影响使用和工作效率，所以，现在只能降速使用，现在现场速度约为X＝4.8 m/min，Y＝Z＝2.4 m/min，但还是会对焊缝成型造成影响。

为了减小工作时产生的震动，我们通过对焊接系统进行静力学分析和动力学分析，使其在最大速度2/3时枪尖的振幅小于2 mm，并在2 s之内不再抖动。

2 设备现有参数

X轴：行程＝12 m，速度＝0～15 m/min，加速度为机器人系统内设，只能在0%～100%变更。

Y轴：行程＝5 m，速度＝0～15 m/min，加速度为机器人系统内设，只能在0%～100%变更。

Z轴：行程＝3.2 m，速度＝0～15 m/min，加速度为机器人系统内设，只能在0%～100%变更。

由于龙门行走装置在启、制动情况下焊接机械手焊枪端振动比较大，对焊接质量有影响，所以，此系统目前只能降速使用，降速幅度达到50%，严重影响工作效率。

3 静力学分析

3.1 三维模型

根据原始模型和各个方案建立了可供ANSYS分析的三维模型。图1为原始模型，图2为方案一（四立柱）模型，图3为方案二（八立柱）模型。

图1 原始模型

图2 方案一（四立柱）模型

图3 方案二（八立柱）模型

图4 原始模型Z方向静力变形

图5 方案一（四立柱）Z方向静力变形

图6 方案二（八立柱）Z方向静力变形

3.2 静力学对比

通过对比各个模型在自身重力作用下竖梁与机械手连接法兰处Z方向位移，验证改进模型和增加立柱对Z方向刚度的影响。原始模型Z方向静力变形如图4所示，方案一（四立柱）Z方向静力变形如图5所示，方案二（八立柱）Z方向静力变形如图6所示。分析可得，原始模型通过自重法兰处下降1.324 cm，方案一（四立柱）模型下降1.011 cm，方案二（八立柱）模型下降1.066 cm。通过改进模型行走横梁，对模型Z方向刚度都有提升，方案一提升24%左右，方案二提升46%左右，而增加立柱对Z方向刚度的提升效果不明显。

4 动力学分析

4.1 施加模拟载荷

对横车梁及其梁上组件施加X方向加速度载荷，模拟横车启动时的冲击载荷[5，8]，载荷施加部位及载荷曲线如图7、图8所示。

图7 载荷施加部件

图8 载荷曲线

图9 原始模型X方向位移-时间图

图10 方案一（四立柱）X方向 位移-时间图

图11 方案二（八立柱）X方向位移-时间图

在0.25 s时间段内施加渐变的加速度，模拟横车速度达到250 mm/s。横车和竖梁升降机构同时位于整个机构中间部位，机械手位于Z方向行程最低位，通过整个机构在冲击载荷作用下竖梁上与焊接机械手连接法兰处的X方向的位移-时间图和整个机构总位移图[9，12]，比较各个改进方案。

4.2 原始模型及各个方案结果

图9、图10、图11为各个方案竖梁上与焊接机械手连接法兰处的X方向的位移-时间图。原始模型及各方案竖梁与焊接机械手连接法兰处X方向位移-时间图中关键点具体数值及结果对比如表1、表2所示。

5 结论

经过分析，得出以下2个结论：①增加4个立柱对龙门装置横梁静态变形影响不大，但有利于减少整个龙门装置的启、制动情况下的振幅；②运用有限元法可以定性分析机构不同改进方案的振动幅值，对改进方案的可行性判断有重要的参考意义，能够为改进机构振动提供支持。

表1 原始模型位移-时间图关键点数值

表2 原始模型及各个方案结果对比

参考文献：

［1］李占贤，霍平，李晨辉，等.一种足式吸附爬壁机器人运动机构：中国，CN204978935U［P］.2016-01-20.

［2］田兰图.罐检测爬壁机器人技术及系统研究［D］.北京：清华大学，2004.

［3］李增明.新型二自由度平移并联机器人性能分析与优化设计［D］.南京：南京理工大学，2011.

［4］王荣华.爬壁机器人设计及动力性能研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2007.

［5］张亮.焊缝磨抛机器人的结构优化及控制系统研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［6］黄真.一种新型三维移动并联机构及其运动学分析［J］.机器人，1999，21（7）：25-26.

［7］胡飞，尹文庆，陈彩蓉.基于MATLAB的移栽机械臂运动学分析与仿真［J］.江西农业学报，2012，24（12）：151-153，157.

［8］孔宪文，黄真.3-RPS控制位置用并联机器人机构的位置反解［J］.机械科学与技术，1999，18（3）：424-426.

［9］郑夕健，莽琦，谢正义，等.基于ADAMS的轮式装载机运动学及动力学仿真分析［J］.机械设计与制造，2009（2）：206-208.

［10］韩军，郝立.机器人关节空间的轨迹规划及仿真［J］.南京理工大学学报，2000，24（6）：540-543.

［11］魏芳胜.二自由度冗余驱动并联机器人运动学及动力学研究［D］.西安：长安大学，2013.

［12］郭卫东，张玉如，陈五一.3PSS并联机构的运动轨迹规划与仿真［J］.机械设计与研究，2004，20（1）：19-21.