張俊勇

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

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一種機(jī)械手底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與模態(tài)分析

張俊勇

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

摘要：設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并針對(duì)其底座結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期頻繁的使用中產(chǎn)生的磨損比較嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)增加支承結(jié)構(gòu)，改變了底座和工作臺(tái)的接觸方式，從而有效地提高了其接觸強(qiáng)度，增加了其結(jié)構(gòu)剛度，減小了摩擦面積。結(jié)合ANSYS Workbench 14.0軟件對(duì)該支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得出，在固有頻率為290.13 Hz條件下應(yīng)力和變形最大，應(yīng)盡量避免在使用過(guò)程中承載載荷頻率過(guò)低。為該結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)整和使用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；模態(tài)分析；ANSYS

隨著工業(yè)生產(chǎn)逐漸朝著自動(dòng)化、智能化和集成化方向發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用也逐漸廣泛，特別在精密鑄造、焊接、裝配和搬運(yùn)等場(chǎng)合已經(jīng)逐漸常態(tài)化，其控制過(guò)程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、加工精度高和生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，使得其在制造業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了十分重要的地位，成為在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的一環(huán)?！吨袊?guó)制造2025》將高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人作為重要發(fā)展的領(lǐng)域[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手結(jié)構(gòu)，在裝配和使用的過(guò)程中表現(xiàn)良好，但是由于其底座結(jié)構(gòu)處于機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，在長(zhǎng)期頻繁的使用中產(chǎn)生的磨損比較嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)了多次潤(rùn)滑改造、密封改造以及更換材料后仍然會(huì)出現(xiàn)磨損的情況。為了改變這種情況，筆者從結(jié)構(gòu)改進(jìn)下手，增加支承結(jié)構(gòu)，改變底座和工作臺(tái)的直接接觸，從而有效地提高了其接觸強(qiáng)度，增加了其結(jié)構(gòu)剛度，減小了摩擦面積，并結(jié)合ANSYS Workbench 14.0軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，找出了應(yīng)力和變形的最大位置，為該結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)整和使用打下了基礎(chǔ)[2]。

1機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用軟件SolidWorks 2012對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體建模，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，共有6個(gè)自由度，可以完成任意位置的零件抓舉、搬運(yùn)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改造后，還可以完成焊接、表面噴涂等加工工藝過(guò)程，具有良好的可操作性。其周向回轉(zhuǎn)、第1關(guān)節(jié)處軸向擺動(dòng)和整體結(jié)構(gòu)支承全部依靠底座來(lái)完成，底座結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出，整個(gè)機(jī)械手的質(zhì)量全部由該底座承擔(dān)，同時(shí)還要保證機(jī)械手在圓周方向的運(yùn)動(dòng)和第1關(guān)節(jié)處的軸向擺動(dòng)，所以其磨損量是整個(gè)設(shè)備中最大的，通過(guò)多種方式的改進(jìn)仍然無(wú)法改變其易磨損狀態(tài)，如增加潤(rùn)滑裝置，改用合金鋼材料，改變密封環(huán)結(jié)構(gòu)等多種措施，始終效果有限[3]。

圖1　機(jī)械手三維模型

圖2　機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)

2底座改進(jìn)過(guò)程分析

若要減小其磨損應(yīng)明確其成因，具體原因有如下幾點(diǎn)：1)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)過(guò)重，而該底座是整個(gè)設(shè)備的承壓件，所以相當(dāng)于增加了底座與工作臺(tái)的接觸應(yīng)力；2)整個(gè)設(shè)備的周向運(yùn)動(dòng)即圓周方向的運(yùn)動(dòng)全部由該底座完成，同時(shí)其第1關(guān)節(jié)處的軸向運(yùn)動(dòng)也需要該底座來(lái)完成，頻繁運(yùn)動(dòng)造成的結(jié)果也容易使其磨損；3)該底座兩側(cè)的耳板均為焊接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度有限，所以這就限制了其材料的選擇，應(yīng)選擇可焊性好的中碳鋼或低合金鋼材料，但這些材料的耐磨性較差；4)將原有的橡膠密封圈換成塑料材質(zhì)密封圈，其密封性和使用效果均無(wú)法得到保證。

考慮在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加1個(gè)支承座，改變其原來(lái)的接觸狀態(tài)，這樣就可以在不改變其底座各項(xiàng)參數(shù)(包括外形結(jié)構(gòu)、材料和尺寸等)的前提下，獲得較好效果。支承座結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。通過(guò)加裝支承座后，底座懸空，這樣就可以減小底座與工作臺(tái)的接觸應(yīng)力，減少底面摩擦；機(jī)械手的周向運(yùn)動(dòng)由原來(lái)的底座單一完成變成底座與支承座共同完成，也同樣減少了底座內(nèi)孔的磨損。為了驗(yàn)證其狀態(tài)，筆者通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行分析來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證[5]。

圖3　支承座結(jié)構(gòu)圖

3支承座模態(tài)分析

3.1數(shù)據(jù)導(dǎo)入與模態(tài)分析

要求底面4個(gè)端面固定在卡槽中，上表面施加載荷幅值Fx=1 000 N，F(xiàn)y=5 000 N，F(xiàn)z=1 000 N，相位角φ=0°，應(yīng)用SolidWorks軟件構(gòu)建三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，導(dǎo)入過(guò)程如圖4所示。進(jìn)行模態(tài)分析得到其固有頻率后，再進(jìn)行諧響應(yīng)分析找到共振點(diǎn)，明確共振頻率下的應(yīng)力和位移[6]。經(jīng)過(guò)分析后，得出了六階固有頻率(見(jiàn)表1)。

圖4　創(chuàng)建模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析模塊

模型階數(shù)123456固有頻率123.65290.13384.29472.85547.28745.69

3.2共振點(diǎn)頻率與分析

圖5　頻率與變形關(guān)系

在Environment-Loads-Force模塊下輸入X=Z=1 000 N，Y=5 000 N，定位方向選擇Y方向。選擇該結(jié)構(gòu)中上表面作為求解項(xiàng)，得出諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖5所示[7]。由圖5可以看出，Y方向有2個(gè)諧振頻率，1階諧振頻率為290.13 Hz，2階諧振頻率為574.28 Hz。這說(shuō)明在固有頻率290.13 Hz和574.28 Hz時(shí)幅頻數(shù)值較大，易引起共振，特別是在290.13 Hz時(shí)變形最大。下述將進(jìn)一步分析290.13 Hz時(shí)的應(yīng)力和變形。

3.3應(yīng)力與變形

在“Total Deformation”中輸入290.13，即可得出在290.13 Hz狀態(tài)下的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)。等效應(yīng)力云圖和變形云圖[8]分別如圖6和圖7所示。

圖6　等效應(yīng)力云圖

圖7　變形云圖

由圖6和圖7可以看出，低階振型對(duì)穩(wěn)定性有決定作用，所以應(yīng)盡量避免在使用過(guò)程中承載載荷頻率過(guò)低造成的變形、斷裂、扭曲和磨損。

4結(jié)語(yǔ)

本文利用ANSYS Workbench軟件對(duì)支承座進(jìn)行了模態(tài)分析，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，找出了共振點(diǎn)，這為后期的裝配使用提供了理論數(shù)據(jù)，后期將結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行物理驗(yàn)證。

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責(zé)任編輯鄭練

The Improvement and Model Analysis based on the Structure of Manipulator Base

ZHANG Junyong

(Shaanxi Institute of Technology, Xi’an 710300, China)

Abstract：Design a manipulator structure, and its base structure in long-term frequent use of more serious wear and tear is improved. Through increasing the support structure, change the base and the workbench's contact way, so as to effectively improve the contact strength, increase the structure rigidity, reduce the friction area. Combined with ANSYS Workbench 14.0 software on the modal analysis, find out the stress and deformation of the largest position for further adjustment of the structure and the use of the foundation.

Key words:manipulator, the improved structure, the modal analysis, ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-05

作者簡(jiǎn)介：張俊勇(1975-)，男，碩士，副教授，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)及教學(xué)等方面的研究。