中國礦業(yè)大學徐海學院 梁 斌

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CHX型焊接機器人大臂有限元分析

中國礦業(yè)大學徐海學院 梁 斌

【摘要】針對傳統(tǒng)設計方法的不足，設計了CHX型焊接機器人大臂結(jié)構。首先建立相應的三維結(jié)構，然后使用Workbench 對CHX型焊接機器人大臂進行了靜應力分析，獲取了模型的位移與應力云圖，最后進行模態(tài)分析，得到了模型的固有頻率與振型。分析結(jié)果表明：本設計符合實際需求，分析成果為CHX型焊接機器人大臂的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

【關鍵詞】CHX型焊接機器人大臂；靜力學分析；模態(tài)分析

0 引言

焊接機器人是一種將人工智能、計算機、電子通信、機械制造等先進技術于一體的自動化裝備[1,2]。

焊接機器人一般由小手臂，大臂，驅(qū)動臂，轉(zhuǎn)臺以及底座等部分組成。其中，大臂連接著小手臂和驅(qū)動臂，它的設計是否合理影響到機器人的定位精度的好壞。國外的機器人廠商生產(chǎn)的大臂都具有各自的特點，結(jié)構的設計有合理的科學依據(jù)。而國內(nèi)的焊接機器人設計大多使用相同的結(jié)構，設計出來的大臂有時候需要通過大量的實驗去驗證，這樣使得研發(fā)的周期和成本大大的增加[3]。

本文針對上述的不足，針對CHX型焊接機器人，使用Solidworks搭建焊接機器人大臂的三維模型，利用Workbench對大臂進行靜應力和模態(tài)分析，提供結(jié)構優(yōu)化的方針，為CHX型焊接機器人大臂的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

圖1 CHX型焊接機器人大臂三維模型

1 CHX型焊接機器人大臂有限元建模

1.1 實體模型建立

由于ANSYSWorkbench本身的建模模塊沒有專業(yè)的三維建模軟件強大，所以這里采用Solidworks對大臂的結(jié)構進行建模。將搭建的模型導入Workbench前需要去除結(jié)構中對結(jié)果分析沒有影響倒角，倒圓等，因為這些因素會增加網(wǎng)格劃分的密度，增加節(jié)點個數(shù)，最終導致結(jié)果分析不理想。簡化后的大臂模型如圖1所示。

1.2 有限元模型建立

把大臂模型導入到Workbench前，需要進行一些簡化，分析如下：

a）定義單元和材料屬性：綜合考慮模型的復雜程度和分析結(jié)果的理想度，將單元類型設置為四面體單元。大臂的材料選用Q235，對應的彈性模量，泊松比和質(zhì)量密度分別為：212Gpa，0.28和7860kg/m3。

b）網(wǎng)格劃分：靜力分析需要劃分網(wǎng)格的疏密程度不一樣，模態(tài)分析得到的固有頻率與振型同模型質(zhì)量和剛度布置有聯(lián)系，因此網(wǎng)格劃分采用均勻分布形式[4]。

圖2 CHX型焊接機器人大臂靜力分析

2 CHX型焊接機器人大臂靜力學分析

通過靜力學分析，目的是決定結(jié)構在承受規(guī)定負載與約束時的應力和位移布置情況。探討大臂在外力作用下的變形，并進行強度校核，既保證結(jié)構安全可靠，又符合經(jīng)濟性的要求[3,5]。

先對焊接機器人大臂施尾端耳環(huán)處加一個固定約束，而焊接機器人焊接端部承載一個50kg即493N的力，由于大臂頭部和尾部中心距離測量為668mm，因此轉(zhuǎn)換為力矩便是329324N.mm，作用在大臂頭部內(nèi)環(huán)處，方向為順時針，獲取大臂的總位移云圖和應力云圖，分別如圖2.a和圖2.b所示，從圖2.a能夠知道應變最大處于大臂頭部前側(cè)，數(shù)值為0.150mm，應變量很小，可以滿足要求。從圖2.b能夠知道大臂的受力相對比較均勻，應力最大處于大臂底部靠近尾部的弧線處，數(shù)值為20.951Mpa，遠小于Q235的屈服強度，滿足需求。

為了確保大臂在極限載荷下依然可以符合設計要求，將負載改為80kg，即789N，獲取總的位移與應力云圖，分別如圖2.c和圖2.d所示，最大應變大小為0.240mm，應力的最大值是33.521Mpa，符合設計的需要。

通過上述的比較：在負載不一樣時，焊接機器人大臂的應變和應力最大的位置沒有改變，這符合實際工況；處于最大負載下，受到最大應力遠低于選擇材料的屈服強度，應變變形是0.240mm。通常焊接機器人大臂在運動時，其能夠承受的負載小于最大值，所以對應的應力與應變會更小，符合設計需要。

表1 大臂模態(tài)分析結(jié)果

圖3 CHX型焊接機器人大臂前6階振型圖

3 CHX型焊接機器人大臂模態(tài)分析

模態(tài)分析目的是確定模型的振動特征，在分析擁有動態(tài)載荷的結(jié)構中有著舉足輕重作用[4]。實際工作中，CHX型焊接機器人大臂會不斷地擺動，存在沖擊，所以需要對大臂進行模態(tài)分析。

CHX型焊接機器人大臂在擺動的過程中低階模態(tài)對模型性能影響占據(jù)主導地位，高階模態(tài)阻尼較大，對模型響應的影響程度通常很小，因此本文僅取用前6階固有頻率和振型。表1為大臂模態(tài)分析的結(jié)果，前6階振型圖如圖3所示。

由表1和圖3可以得出下面的結(jié)論：

1）第1階與第2階振型分別表示CHX型焊接機器人大臂在XY和YZ平面的擺動。第3階振型表示大臂頭部左右側(cè)向擺動。第4階振型，第5階振型以及第6階分別是大臂頭部耳環(huán)內(nèi)外兩側(cè)擺動，大臂底部左右擺動以及大臂頂部，底部，左右側(cè)向內(nèi)外運動。

2）大臂頭部耳環(huán)處和大臂頂部，底部，左右側(cè)壁是振動劇烈的部位，可以用強度較大的材料來替代或者增加大臂的厚度來提高其抗振性能。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)方法的不足，針對CHX型焊接機器人，使用SolidWorks建立焊接機器人大臂的三維模型，利用ANSYSWorkbench對大臂進行靜應力分析與模態(tài)分析。靜力學分析表示：在493N和789N的負載下，焊接機器人大臂的應變最大都處在大臂頭部前側(cè)，應力最大都處于大臂底部靠近尾部的弧線處，應變與應力都符合需求。經(jīng)過模態(tài)分析，得到了CHX型焊接機器人大臂的固有頻率和振型，對于一些位置的變形問題，采用選取較高強度材料或者增加材料厚度的方法進行改善，為CHX型焊接機器人大臂的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

參考文獻

[1]趙偉,殷國富,陳航,等.基于SolidWorks和ANSYS的機器人手臂性能分析與優(yōu)化設計[J].機械,2009,36(12):48-50.

[2]徐稀文,平雪良,陳魯剛,等.弧焊機器人大臂有限元靜態(tài)分析與優(yōu)化設計[J].工具技術,2011,45(8):52-55.

[3]李清偉.焊接機器人大臂有限元分析及拓撲優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術,2014(11):63-65.

[4]彭俊泉,任衍坤,劉晶晶,等.基于3UPS-UP并聯(lián)機構的磁流變液拋光裝置有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術,2015(7):37-40.

[5]姚克恒,殷晨波.以ANSYS為平臺的塔式起重機臂架有限元分析與關鍵技術研究[J].現(xiàn)代制造工程,2009(12):46-51.

梁斌（1985－），男，江蘇徐州人，中國礦業(yè)大學徐海學院講師，碩士，主要從事機械設計理論及機器人方面的研究，

作者簡介：