基于ANSYS WORKBENCH的六自由度工业机器人摆动臂静力学分析与模态分析

2018-11-02陈继文

制造业自动化 2018年10期

陈继文

（山西机电职业技术学院，长治 046011）

0 引言

六自由度机器人运动灵活，在码垛、搬运、焊接、装配、喷涂等场合有着广泛的应用。为了保证机械臂运行的可靠性，需要对其进行机械结构分析。使用实验方法验证机器人结构设计的合理性，成本高，周期长[1]，传统静力学计算方法精度低，过程繁琐。本文使用Pro/E软件建立并简化六自由度机器人模型，利用ANSYS对摆动臂进行静力学分析，得到了摆动臂的应力和应变分布云图，有效的提高了精度，降低了周期，节约了成本。模态分析可以用来研究结构动力学特性。本文依据数值模态分析理论，使用有限元分析方法得到了六自由度机器人的六阶模态振动特性，得到了各个部件的固有频率和振型，为机器人结构优化设计和改进提供了理论依据，为设计同类产品提供了借鉴。

1 六自由度机器人摆动臂有限元模型建立

1.1 建立几何模型

六自由度机器人由底座、旋转座、摆动臂、摆动关节、旋转臂、腕关节组成。整机构造复杂，需要根据等效刚度代换理论对模型做简化处理[2]。把齿轮啮合简化为孔和轴的配合，忽略固定构件、线路、电位器、外部柔性导线管等对计算机分析影响不大的特征和部件，将质量等效分布，结构中相同材料的刚性作一体化处理[3]，机器人模型如图1所示。

图1 六自由度工业机器人模型

1.2 定义模型材料属性及网格划分

HT250耐磨性、减震性好，ZL108气密性高，线收缩较小，热膨胀系数低，六自由度机器人安装底座使用HT250灰铸铁，旋转座、摆动臂、摆动关节与旋转臂均采用ZL108材料，材料属性如表1所示。使用ANSYS WORKBENCH网格划分工具对摆动臂进行网格划分，网格划分情况如图2所示，六自由度机器人摆动臂的网格节点数为65972，网格单元数为87150。

表1 机器人摆动臂材料属性

图2 机器人摆动臂网格划分结果

2 六自由度机器人摆动臂静力学分析

2.1 施加载荷

当机器人摆动臂和旋转臂均处于水平位置时，末端执行器的位移量最大，在该位置姿态下对六自由度机器人进行应力分析。以荷重0kg为例，摆动臂竖直方向受到机器人摆动关节、旋转臂、腕关节的作用，总质量12.939kg，力的大小为126.802N，端面面积为0.0076969m3，产生的压力为0.01647MPa，在Pro/E中测得力的作用点距离摆动臂端部沿臂展方向的距离为111mm，产生14075 N·mm的力矩，摆动臂上载荷情况如表2所示。

表2 机器人摆动臂载荷大小

2.2 应力分析

载荷和约束施加到摆动臂上后，进行求解，得到摆动臂在0～5kg荷重下的应力分布云图3和应力大小表3。

图3 摆动臂在0～5kg荷重下的应力分布云图

表3 摆动臂在0～5kg荷重下的应力大小

表4 摆动臂在0～5kg荷重下的应变

从图3和表3可以看出，摆动臂在无荷重时，等效应力为0.98704MPa，荷重5kg时，应力达到1.4793MPa，该应力远远小于ZL108的屈服极限177MPa，满足要求。同时，随着机器人荷重的增加，最大应力随之增大，但最大应力发生的位置基本保持不变，位于摆动臂与旋转座连接处圆形端面的右侧边缘部位。

2.3 变形分析

载荷和约束施加到摆动臂上后，进行求解，得到摆动臂在0～5kg荷重下的总形变位移分布图4和应变大小表4。

图4 摆动臂在0～5kg荷重下的总应变分布云图

从图4和表4可以看出，无荷重时，六自由度机器人摆动臂的形变量为0.0040106mm，荷重5kg作用下，最大形变量为0.0064937mm，符合要求。同时，随着机器人腕部荷重的增加，最大应变量随之增大，但最大应变发生的位置基本保持不变，位于摆动臂右侧顶端位置。

3 六自由度机器人摆动臂模态分析

六自由度机器人摆动臂无预载荷状态下1～6阶振型模态分析结果如图5所示，频率和变形量如表5所示。

表5 无预载荷状态下前6阶固有频率和变形量

图5 无预载荷状态下前6阶振型图

根据图5和表5可知，前6阶振型中，固有频率最低为895.69Hz，最高为3138.0Hz；第5阶的最大变形量最小，为26.299mm，摆动臂前端沿着z轴方向左右振动；第6阶的最大变形量最大，为56.874mm，摆动臂前端左臂绕着z方向顺时针旋转。运动机构伺服电机的额定转速是3000r/min，频率是50Hz，本模型摆动臂自身的刚度满足要求，相对较为薄弱的部分是与摆动关节接触的端部边缘。