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        機(jī)械手絲桿諧響應(yīng)分析

        2014-11-28 08:16:52林利芬陳淑玲程斌
        機(jī)械工程師 2014年6期
        關(guān)鍵詞:絲桿頻響機(jī)械手

        林利芬,陳淑玲,程斌

        (1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院,武漢 430205;2.武漢高德紅外股份有限公司,武漢 430205)

        0 引言

        隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的需要,機(jī)械手的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。目前,對多指靈活手、欠驅(qū)動手的設(shè)計(jì)是機(jī)器人手研究的熱點(diǎn)之一。在許多實(shí)際應(yīng)用中,為了適應(yīng)高精度地取放操作對象,常要求機(jī)器人手具有較高的定位取放能力,以代替人手繁重的復(fù)雜勞動。絲桿型機(jī)械手適用于重復(fù)精度要求高(-0.02~+0.02 mm)、負(fù)載重的設(shè)備。由于傳動精度要求高,研究導(dǎo)軌絲桿在受迫振動過程中的傳動穩(wěn)定性就很有必要。本文運(yùn)用ANSYS Workbench動力學(xué)分析軟件,試圖模擬絲桿受約束和載荷作用下,在各種不同頻率的簡諧激勵(lì)作用下的應(yīng)力分布與變形情況,通過結(jié)果的處理與分析,為絲桿的傳動精度與機(jī)械手工作的可靠性提供了一定依據(jù)。

        1 諧響應(yīng)分析基礎(chǔ)

        諧響應(yīng)分析也稱為頻率響應(yīng)分析或者掃頻分析,它是一種特殊的時(shí)域分析,計(jì)算結(jié)構(gòu)在正弦激勵(lì)(激勵(lì)隨時(shí)間呈正弦規(guī)律變化)作用下的穩(wěn)態(tài)振動,也就是受迫振動分析,可以計(jì)算響應(yīng)幅值、頻率等。由于激勵(lì)是簡諧變化的,所以諧響應(yīng)分析的計(jì)算過程中,只考慮穩(wěn)態(tài)受迫振動,不考慮激勵(lì)開始瞬間的暫態(tài)振動。

        經(jīng)典力學(xué)理論可知,物體的動力學(xué)通用方程為

        式中:[M]是質(zhì)量矩陣;[C]是阻尼矩陣;[K]是剛度矩陣;{x}是位移矢量;{F(t)}是力矢量;{x′}是速度矢量;{x″}是加速度矢量。

        在諧響應(yīng)分析中,式(1)右側(cè)為F=F0cos(ωt)。

        2 有限元模型建立

        圖1 機(jī)械手導(dǎo)軌絲桿裝置

        圖2 導(dǎo)軌網(wǎng)格劃分模型

        圖1 是絲桿型機(jī)械手裝配圖。導(dǎo)軌絲桿傳動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動絲桿旋轉(zhuǎn),螺母移動,帶動機(jī)械手移動實(shí)現(xiàn)其預(yù)定動作。絲桿不斷地旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個(gè)周期性的力。通過UG 繪制絲桿三維實(shí)體圖,以igs 格式導(dǎo)入ANSYS Workbench 中,建立有限元模型并劃分網(wǎng)格,如圖2 所示。機(jī)械手傳動裝置中,電機(jī)通過聯(lián)軸器連接絲桿,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動改變?yōu)橹本€運(yùn)動,絲桿不斷地旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個(gè)周期性的力,因此,為絲桿兩端面施加了固定約束(Fixed Support),在絲桿兩端的圓柱面施加軸承載荷(Bearing Load)1 500 N,設(shè)定頻率范圍為0~1 000 Hz,進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

        3 諧響應(yīng)后處理

        選擇需要顯示變形的螺紋面,求解絲桿在0~1 000 Hz頻響作用下的結(jié)果,得到變形頻響函數(shù)曲線,如圖3 所示,上面一個(gè)圖表示的是變形幅度與頻率的關(guān)系曲線,下面一個(gè)圖表示的是變形角度與頻率的關(guān)系曲線。由該曲線可以看出,絲桿在0~500 Hz 頻率激勵(lì)下變形量都比較微小,500~600 Hz 頻率激勵(lì)下變形量急劇增大,并在600 Hz時(shí)達(dá)到峰值。600~700 Hz 之間變形量減小,700~1 000 Hz之間變形量非常微小。

        圖3 變形頻響函數(shù)曲線

        查看絲桿在靜載荷作用下和500 Hz、600 Hz、700 Hz簡諧頻率激勵(lì)作用下的等效應(yīng)力與總變形量,分別如圖4、圖5 所示。

        圖4 等效應(yīng)力結(jié)果

        圖5 總變形結(jié)果

        4 結(jié)論

        運(yùn)用ANSYS Workbench 對絲桿進(jìn)行靜力學(xué)分析與諧響應(yīng)分析,結(jié)合絲桿的變形頻響函數(shù)曲線,通過對比在靜載荷作用下和500 Hz、600 Hz、700 Hz 簡諧頻率激勵(lì)作用下的等效應(yīng)力與總變形量,可知:

        1)取0~1 000 Hz 為頻率分析范圍時(shí),500~600 Hz 變形量大約呈線性增大趨勢,600~700 Hz 變形量減小大約呈線性減小。0~500 Hz 與700~1 000 Hz 之間變形量很小,絲桿在600 Hz 簡諧頻率激勵(lì)下的變形量達(dá)到峰值。故絲桿應(yīng)避免在600 Hz 頻率附近范圍內(nèi)工作,從而降低其變形的可能性,保證傳動的精度。

        2)研究圖4 與圖5 中的等效應(yīng)力分布和總變形結(jié)果,對比數(shù)據(jù)可看出,絲桿在靜載荷作用下的等效應(yīng)力和變形量都明顯小于簡諧頻率激勵(lì)作用下的值。分取500Hz、600 Hz、700 Hz 的等效應(yīng)力和總變形結(jié)果,可看出500 Hz與700 Hz 頻率激勵(lì)作用下等效應(yīng)力、總變形的大小與分布近似,在600 Hz 頻率激勵(lì)作用下的等效應(yīng)力最大、變形量最大。

        本文的仿真結(jié)果與變形頻響函數(shù)曲線描述的規(guī)律一致,諧響應(yīng)分析結(jié)果為絲桿的傳動精度與機(jī)械手工作的可靠性提供了一定依據(jù)。

        [1]陳艷霞,陳磊.ANSYS Workbench 工程應(yīng)用案例精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

        [2]肖艷軍,任欽貴,霍江濤,等.一種導(dǎo)軌絲桿機(jī)構(gòu)傳動可靠性及穩(wěn)定性分析研究[J].機(jī)械傳動,2013,37(6):106-109.

        [3]李青林,戴青玲.基于ANSYS 的割臺框架諧響應(yīng)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(10):28-30.

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