基于有限元分析的打磨机器人设计与性能研究

姚光瑞，乔赫廷，张禹

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870）

0 引 言

目前我国在工件打磨方面远远落后于发达国家，依然是工人使用工具进行打磨、研磨、修锉等方式进行去毛刺和表面处理加工，机械化打磨应用少，打磨精度不足，效率低[1]。国外对抛光打磨机器人研究起源较早，在20 世纪80年代末，工业较发达的日本、德国、美国等国家针对打磨过程中刀具的切削力、刀具路径、进给速度、材料去除率等关键因素进行了深入研究，并由此研发了一系列成熟的打磨设备[2-5]。本文将机床与机械臂结合起来，利用机床的高精度和机械臂的灵活性设计一款打磨机器人。使打磨机器人显著地提高了打磨效率和打磨质量，同时也大大改善了劳动者的工作条件和产品更新换代的效率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。

1 打磨机器人结构设计

本文采用SolidWorks软件建立三维模型，如图1所示。该打磨机器人主要由机架、转台和刀具组三部分构成[6]；机架是打磨机器人的重要基础部件，其主要作用是通过直线导轨带动X、Y、Z轴进行反复直线运动，改变刀具位置并精准定位。本文采用双层螺栓联接的机架，其中上下层机架分别采用钢板焊接结构，并通过角撑板和加强筋进行加强，因此在各个方向上满足要求。

转台主要由伺服电动机、电动机法兰、减速器、支撑板等零部件组成[7]。伺服电动机装配在法兰上面并与减速器相连接，为转台提供转矩并带动零件绕X轴旋转，使得打磨机器人能够进行复杂曲面打磨；转台底板通过轴承与左右的支撑板连接，其尺寸根据夹具和打磨工件的空间位置确定；转台整体固定安装在X轴直线导轨上方顶板，为增强其稳定性和强度，在左右支撑板位置增加筋板。

图1 打磨机器人结构图

刀具部分由两个转动轴和打磨刀具组成。通过A、B轴的旋转来使铣刀完成任意角度的转变，刀具能够单点多角度运动。其中A、B转动轴的旋转角度分别为±180°和±90°，重复定位精度可达±1′；打磨刀具采用铣刀，通过转动轴来带动铣刀对工件进行多角度打磨。因此X、Y、Z三轴及A、B转动轴和转台构成了一个高效率、高精度、高度智能化的六轴联动的打磨机器人。

2 打磨机器人有限元预处理

2.1 材料属性及网格的划分

为提高机架的刚度和强度，材料选择45钢，其材料属性如表1所示[8]。

本文采用SolidWorks软件建立的床身三维数字模型，由于定位孔、螺纹孔、圆角和倒角等特征对打磨机器人有限元模型的动态特性影响较小，因此进行删除或简化，然后再导入至ANSYS Workbench中[9]。

根据打磨机器人有限元模型，本文网格划分主要采用六面体网格划分，针对个别零件采取四面体网格或者自由划分，并依据各个零件自身的尺寸和位置来确定单元大小尺寸。

2.2 约束及载荷的施加

打磨机器人通过床身上的X、Y、Z三轴带动刀具组和工件运动，转台用来支撑和辅助工件运动。因此打磨机器人的主要载荷包括机器人自重、工件质量和工作载荷。床身下部与地基固定连接，故将其设定为固定约束。本文设计的打磨机器人应用于铸铁件打磨，因此载荷大小为1000 N，打磨方向为-Y。

3 打磨机器人静力学分析

将打磨机器人模型导入ANSYS Workbench中，经过静力学分析后的结果如图2、图3所示。

根据分析结果可知：机架整体结构稳定，几乎没有变形。转台下面直线导轨和转台左右支撑板处有微小变形，但不影响整体性能。主要变形发生在转台地板，由两侧向中间逐步加大，最大变形可达88 μm，最大应力可 达 28 MPa。由于45 钢的屈服极限为355 MPa，28 MPa远小于屈服极限，因此打磨机器人能够满足刚度和强度的要求。

图2 打磨机器人总变形图

图3 打磨机器人应力图

4 打磨机器人模态分析

因为在加工过程中,打磨机器人会受到多种外界振源（如电动机）的激励,为了降低自身的振动对加工精度的影响,防止加工过程中出现共振现象,故对打磨机器人进行模态分析。机器人模态分析的约束条件和静态特性分析的约束条件一致，即将床身底部设定为固定约束。对其进行模态分析，提取打磨机器人前6 阶模态。其振型和各阶固有频率如图4所示[10]。

根据图4可知，第2、4、6阶频率相对变形大，刀具不够稳定，则会影响到打磨的精度和稳定性，设计和选取电动机时应该避开这些频率来减小或消除影响。根据其变形情况，可以通过加大刀具尺寸和增加前后筋板进行优化。

图4 前6阶振型图

5 结 论

本文对打磨机器人进行了结构设计和动静态有限元分析，得到了打磨机器人整体方案、关键零部件的结构设计，以及打磨机器人的应力应变和前6阶固有频率。由静力学分析可知，最大变形量为88 μm和最大应力为28 MPa，均在材料所允许的正常范围内，故打磨机器人在强度和刚度方面上符合要求。通过模态分析，得到了打磨机器人前6阶固有频率及对应的振型，分析了固有频率对机器人性能的影响，得到了临界转速。根据仿真结果可以得出，打磨机器人能够基本满足刚度和强度要求，符合设计理念。