中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 梁 斌

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CHX型焊接機(jī)器人大臂有限元分析

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 梁 斌

【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，設(shè)計(jì)了CHX型焊接機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)。首先建立相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)，然后使用Workbench 對(duì)CHX型焊接機(jī)器人大臂進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，獲取了模型的位移與應(yīng)力云圖，最后進(jìn)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(shè)計(jì)符合實(shí)際需求，分析成果為CHX型焊接機(jī)器人大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】CHX型焊接機(jī)器人大臂；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

0 引言

焊接機(jī)器人是一種將人工智能、計(jì)算機(jī)、電子通信、機(jī)械制造等先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備[1,2]。

焊接機(jī)器人一般由小手臂，大臂，驅(qū)動(dòng)臂，轉(zhuǎn)臺(tái)以及底座等部分組成。其中，大臂連接著小手臂和驅(qū)動(dòng)臂，它的設(shè)計(jì)是否合理影響到機(jī)器人的定位精度的好壞。國(guó)外的機(jī)器人廠商生產(chǎn)的大臂都具有各自的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有合理的科學(xué)依據(jù)。而國(guó)內(nèi)的焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)大多使用相同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出來的大臂有時(shí)候需要通過大量的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，這樣使得研發(fā)的周期和成本大大的增加[3]。

本文針對(duì)上述的不足，針對(duì)CHX型焊接機(jī)器人，使用Solidworks搭建焊接機(jī)器人大臂的三維模型，利用Workbench對(duì)大臂進(jìn)行靜應(yīng)力和模態(tài)分析，提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方針，為CHX型焊接機(jī)器人大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 CHX型焊接機(jī)器人大臂三維模型

1 CHX型焊接機(jī)器人大臂有限元建模

1.1 實(shí)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(qiáng)大，所以這里采用Solidworks對(duì)大臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。將搭建的模型導(dǎo)入Workbench前需要去除結(jié)構(gòu)中對(duì)結(jié)果分析沒有影響倒角，倒圓等，因?yàn)檫@些因素會(huì)增加網(wǎng)格劃分的密度，增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，最終導(dǎo)致結(jié)果分析不理想。簡(jiǎn)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(dǎo)入到Workbench前，需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，分析如下：

a）定義單元和材料屬性：綜合考慮模型的復(fù)雜程度和分析結(jié)果的理想度，將單元類型設(shè)置為四面體單元。大臂的材料選用Q235，對(duì)應(yīng)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?jiǎng)澐志W(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(jī)器人大臂靜力分析

2 CHX型焊接機(jī)器人大臂靜力學(xué)分析

通過靜力學(xué)分析，目的是決定結(jié)構(gòu)在承受規(guī)定負(fù)載與約束時(shí)的應(yīng)力和位移布置情況。探討大臂在外力作用下的變形，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，既保證結(jié)構(gòu)安全可靠，又符合經(jīng)濟(jì)性的要求[3,5]。

先對(duì)焊接機(jī)器人大臂施尾端耳環(huán)處加一個(gè)固定約束，而焊接機(jī)器人焊接端部承載一個(gè)50kg即493N的力，由于大臂頭部和尾部中心距離測(cè)量為668mm，因此轉(zhuǎn)換為力矩便是329324N.mm，作用在大臂頭部?jī)?nèi)環(huán)處，方向?yàn)轫槙r(shí)針，獲取大臂的總位移云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖2.a和圖2.b所示，從圖2.a能夠知道應(yīng)變最大處于大臂頭部前側(cè)，數(shù)值為0.150mm，應(yīng)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(duì)比較均勻，應(yīng)力最大處于大臂底部靠近尾部的弧線處，數(shù)值為20.951Mpa，遠(yuǎn)小于Q235的屈服強(qiáng)度，滿足需求。

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

通過上述的比較：在負(fù)載不一樣時(shí)，焊接機(jī)器人大臂的應(yīng)變和應(yīng)力最大的位置沒有改變，這符合實(shí)際工況；處于最大負(fù)載下，受到最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于選擇材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)變變形是0.240mm。通常焊接機(jī)器人大臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能夠承受的負(fù)載小于最大值，所以對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變會(huì)更小，符合設(shè)計(jì)需要。

表1 大臂模態(tài)分析結(jié)果

圖3 CHX型焊接機(jī)器人大臂前6階振型圖

3 CHX型焊接機(jī)器人大臂模態(tài)分析

模態(tài)分析目的是確定模型的振動(dòng)特征，在分析擁有動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)中有著舉足輕重作用[4]。實(shí)際工作中，CHX型焊接機(jī)器人大臂會(huì)不斷地?cái)[動(dòng)，存在沖擊，所以需要對(duì)大臂進(jìn)行模態(tài)分析。

CHX型焊接機(jī)器人大臂在擺動(dòng)的過程中低階模態(tài)對(duì)模型性能影響占據(jù)主導(dǎo)地位，高階模態(tài)阻尼較大，對(duì)模型響應(yīng)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(jī)器人大臂在XY和YZ平面的擺動(dòng)。第3階振型表示大臂頭部左右側(cè)向擺動(dòng)。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(dòng)，大臂底部左右擺動(dòng)以及大臂頂部，底部，左右側(cè)向內(nèi)外運(yùn)動(dòng)。

2）大臂頭部耳環(huán)處和大臂頂部，底部，左右側(cè)壁是振動(dòng)劇烈的部位，可以用強(qiáng)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(duì)傳統(tǒng)方法的不足，針對(duì)CHX型焊接機(jī)器人，使用SolidWorks建立焊接機(jī)器人大臂的三維模型，利用ANSYSWorkbench對(duì)大臂進(jìn)行靜應(yīng)力分析與模態(tài)分析。靜力學(xué)分析表示：在493N和789N的負(fù)載下，焊接機(jī)器人大臂的應(yīng)變最大都處在大臂頭部前側(cè)，應(yīng)力最大都處于大臂底部靠近尾部的弧線處，應(yīng)變與應(yīng)力都符合需求。經(jīng)過模態(tài)分析，得到了CHX型焊接機(jī)器人大臂的固有頻率和振型，對(duì)于一些位置的變形問題，采用選取較高強(qiáng)度材料或者增加材料厚度的方法進(jìn)行改善，為CHX型焊接機(jī)器人大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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梁斌（1985－），男，江蘇徐州人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論及機(jī)器人方面的研究，

作者簡(jiǎn)介：