郜福亮， 張識超， 劉進福， 張文舉

（1.常州銘賽機器人科技有限公司，江蘇常州213164；2.常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164；3.71352部隊保障部，河南安陽455000）

基于ANSYS軟件的四軸工業(yè)機器人小臂自由模態(tài)分析

郜福亮1， 張識超2， 劉進福2， 張文舉3

（1.常州銘賽機器人科技有限公司，江蘇常州213164；2.常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164；3.71352部隊保障部，河南安陽455000）

四軸工業(yè)機器人的小臂是機器人結構中的主要部件，小臂的結構及其性能直接影響整個機器人的精度和性能，對小臂自由模態(tài)的分析至關重要。利用有限元分析軟件ANSYS對四軸工業(yè)機器人的小臂進行模態(tài)分析，自由模態(tài)分析能夠對小臂的剛度及整個機器的穩(wěn)定提供理論基礎。

模態(tài)分析；固有頻率；回轉頻率

0 引言

目前，隨著科學技術的發(fā)展，機器人廣泛地應用于工業(yè)領域，為企業(yè)節(jié)省了大量的勞動力，也為企業(yè)解決了招工困難等一系列問題。由于其精度高，能夠適應各種惡劣的工作環(huán)境，工業(yè)機器人已成為未來工業(yè)發(fā)展的一個趨勢。同時工業(yè)機器人能夠大大地提高工作效率，為企業(yè)降低人工成本和生產(chǎn)成本。

四軸工業(yè)機器人的小臂是整個機器人系統(tǒng)中的主要機構之一，小臂的結構及其性能直接影響整個機器人的精度和性能。小臂在運動過程中振動頻率對小臂的性能有著直接的影響，小臂的固有頻率和小臂的剛度、強度有著直接的關系。本文利用有限元分析軟件ANSYS對四軸工業(yè)機器人的小臂進行自由模態(tài)分析，自由模態(tài)分析能夠對小臂的剛度及整個機器的穩(wěn)定提供理論基礎。

1 模態(tài)分析理論基礎

模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)。同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點。模態(tài)分析的要點是在積分運動方程以前，利用系統(tǒng)自由振動的固有振型將方程組轉換為n個相互不耦合的方程，對這種方程可以解析或數(shù)值地進行積分。模態(tài)分析就是對以下幾個方程的求解。

2 有限元模型的建立

由于四軸工業(yè)機器人的幾何模型非常復雜，在ANSYS里面建模比較麻煩，所以使用專業(yè)的三維建模軟件SolidWorks對機器人進行建模，并簡化機器人的模型，根據(jù)圣維南原理，采用等效質量體代替，然后導入到ANSYS軟件中。

本文中小臂使用的材料為鑄鋼，其彈性模量為7.1× 1010Pa，屈服極限560 MPa，，密度7 800 kg/m3。采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為6 659，共有13 210個節(jié)點。小臂在實際工作過程中，只有繞Z軸的轉動，因此將小臂下端連接處X、Y方向固定。

3 模態(tài)分析求解

將上面定義的約束添加到建立好的小臂模型，然后對小臂進行求解分析，得到小臂的各階模態(tài)的振型，如圖1所示。根據(jù)模態(tài)分析的結果，可以得出：小臂的固有頻率較高，一階固有頻率已達到62 Hz，運動機構所采用的伺服電機額定轉速為3 000 r/min，其回轉頻率為50 Hz，遠小于小臂的一階固有頻率，因此小臂本身的剛度已滿足設計需要，不需再提高其固有頻率。小臂的固有頻率雖已達到設計要求，但其固有頻率偏低，這可能導致整個運動機構的固有頻率更低，從而與激勵頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生共振，且其前兩階振型都主要表現(xiàn)為整體作平移振動，說明小臂上下兩端剛度不足，比較薄弱，對整個運動機構的穩(wěn)定性影響較大。為提高運動機構整體的固有頻率，保證整體的穩(wěn)定性，需要對小臂進行改進優(yōu)化，加強其剛度。

圖1 模態(tài)振型

表1 小臂的固有頻率和振型特征

4 結論

運用ANSYS建立了四軸工業(yè)機器人小臂的有限元模型，對小臂進行了模態(tài)分析，分析發(fā)現(xiàn)小臂的一階固有頻率高于電機的回轉頻率，小臂本身的剛度已滿足設計需要，但是其固有頻率還是偏低，特別是小臂上下兩端剛度不足，比較薄弱，還需要對小臂進行改進優(yōu)化，加強其剛度。

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（編輯昊 天）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0154－02

郜福亮（1986—），工程師，研究方向為機器人及職能裝備。

2014-03-03