夏正雷，倪受東，范宇鑫，尹振華

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

由于工業(yè)生產(chǎn)對智能設備需求的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化設備在工業(yè)中得到廣泛的應用，在實際運行過程中，自動分揀機器人在搬運重型機械零件中節(jié)省大量勞動力，但設備安全性與可靠性一直備受考驗。因此，本文主要側重于對六自由度自動分揀機器人靜力學分析[1]，在Solidworks中建立結構模型，利用Ansys有限元軟件對其進行模態(tài)分析[2]，分析機器人的頻率和振動特性[3]，防止其工作時發(fā)生共振。然后施加簡諧變化的載荷，分析其諧響應特性，檢驗簡諧激勵下六自由度工業(yè)機器人的安全性與可靠性。

1 自動分揀機器人結構設計

由于大型重物分揀耗費大量人工成本，設計了圖1所示的自動分揀機器人。其底座固定于地面，底座上裝有托板，以及與托板相連接的大臂、小臂、腕關節(jié)、電機等。做機器人鋼材具有很好的屈服強度，腕關節(jié)需提起50～70kg重的零件，在滿足載荷和強度要求時，同時需要一定的柔韌性。用電機控制機器人運動，可以保證夾取零件的精度和平穩(wěn)性。

1—底座；2—托板；3—電機；4—電機；5—小臂； 6—電機；7—腕部；8—大臂；9—電機圖1 自動分揀機器人

2 建立有限元模型

由于Ansys的三維造型功能弱，故選擇運用Solidworks對其進行建模。如圖2所示，分別建立該工業(yè)機器人的底座、腰部、大臂、小臂、腕部等部位模型。因機器人根據(jù)不同零件而更換末端執(zhí)行器，為分析方便，故將機器人的機械手爪去掉。將Solidworks中的模型保存，并導入到Ansys里。

圖2 自動分揀機器人模型

2) 建立有限元模型

在劃分網(wǎng)格之前要對復雜模型進一步簡化，在Ansys workbench Geometry模塊下對機器人的底座電機、大臂上的電機、腕關節(jié)等影響分析結果不大的結構進行壓縮處理。機器人的材料選用結構鋼，彈性模量E設成200GPa，密度ρ設為7 700kg/m3，泊松比設為0.32。

因模型含有諸多圓角、倒角需要精細劃分網(wǎng)格。所以將關聯(lián)性設為100，關聯(lián)中心設為良好，最小邊緣長度為1.834 5e-003 mm，劃好的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 六自由度機器人有限元網(wǎng)格劃分模型

3 有限元分析

1) 模態(tài)分析

研究六自由度自動分揀機器人在無阻尼條件下的自由振動狀況，通過機器人各階固有頻率和觀察其主要振型來分析其振動特性。由模態(tài)分析理論可以得到，機械結構受低階頻率響應時效果顯著，所以本文著重分析低階頻率下的6階模態(tài)振型，其分析結果如圖4所示，各階次的固有頻率由表1列出。

圖4 六自由度機器人第1-6階模態(tài)振型

階次固有頻率/Hz1102．672159．853244．24296．65370．156383．24

圖4(a)為第1階振型，其腰關節(jié)出現(xiàn)較大幅度的擺動，最大變形量達到2.520 3mm。

首先，人員配置不足。 社區(qū)管轄范圍廣，工作繁重。 基層政府也在積極采取措施解決問題，對H社區(qū)的網(wǎng)格化管理進行試點創(chuàng)新，但隨之而來又出現(xiàn)了新的問題。

圖4(b)為第2階振型，機器人的大臂、小臂彎曲程度增加，腕關節(jié)出現(xiàn)的變形最大，其最大變形量為2.782 9mm。

圖4(c)為第3階振型，腰部的變形量再次增加，為4.614 2mm，大臂的變形量也達到2.5mm。

圖4(d)為第4階振型，腰部、大臂和小臂的變形都減少，變形的主要部位為腰部，最大變形量為4.177 7mm。

圖4(e)為第5階振型，除腕關節(jié)外，其余部位變形量減少，腕關節(jié)變形最大，為3.954 7mm。

圖4(f)為第6階振型，小臂的變形量增加，為2.3mm。最大變形量出現(xiàn)在腕部和腰部，局部變形量為4.193 5mm。

基于以上實驗結果，頻率在150Hz～250Hz范圍，機器人整體的變形量最大，頻率在380Hz左右機器人小臂振動幅度最大。為滿足工程需要，機器人空載時應避開上述頻率范圍。

2) 諧響應分析

為探究六自由度工業(yè)機器人在工況條件下克服共振、抵抗疲勞等受迫振動產(chǎn)生的不良效果，本節(jié)通過研究不同頻率下機器人腕關節(jié)位移響應曲線來預測該機械結構的可靠性，在實驗中加載簡諧變化的載荷來觀察機器人的響應特性[4-6]。由于機器人系統(tǒng)末端負載能力要求>70kg，所以在腕關節(jié)施加700N大小的力，在高頻階段振幅衰減很快，選擇頻率范圍為0～50Hz，機器人恒定的阻尼比為2.e-002。經(jīng)過求解便可以得到圖5-圖7機器人腕關節(jié)沿x、y、z軸方向的振幅響應曲線。

通過圖5-圖7對比，x、y軸方向的振動比z軸方向要敏感得多，其中y軸的影響最大，可以達到5.287 3mm。

圖5 機器人腕關節(jié)沿x軸方向的振幅響應曲線

圖6 機器人腕關節(jié)沿y軸方向的振幅響應曲線

圖7 機器人腕關節(jié)沿z軸方向的振幅響應曲線

從各軸振幅隨頻率變化響應圖譜中看出，由于外部載荷的作用，機器人在0～20Hz低頻下受迫振動明顯，現(xiàn)實工況下能夠滿足機器人工作要求。

由于機器人機械結構沿x、y軸振動時具有對稱關系，所以二者的振型大致相當。

當頻率高于25Hz，該機器人的工作條件最為良好。

4 結語

用有限元分析實驗得到的6模態(tài)振型圖，確定各機械部件的變形情況，合理設計零件結構避開常規(guī)頻率范圍，分析簡諧響應曲線，測出六自由度工業(yè)機器人的最大位移共振頻率和檢驗其諧激勵下的抗振能力，為其進一步結構優(yōu)化和工況作業(yè)提供參考。

參考文獻:

[1] 程麗,劉玉旺,駱海濤,等. 165kg焊接機器人有限元模態(tài)分析[J]. 機械設計與制造,2012(1):147-149.

[2] 孫博. 并聯(lián)拾放機器人參數(shù)化設計及模態(tài)分析[D]. 天津：河北工業(yè)大學,2014.

[3] 吳立成,孫富春,孫增圻,等. 柔性空間機器人振動抑制軌跡規(guī)劃算法[J]. 機器人,2003,25(03):250-254.

[4] 姜振廷. 六自由度帶電作業(yè)機器人的運動仿真及動力特性分析[D]. 濟南：山東建筑大學,2014.

[5] 張淑珍,鄭海霞,楊萍. 水輪機修復機器人打磨工況的諧響應分析[J]. 上海交通大學學報,2008(S1):177-179.

[6] 董旭,李志杰,徐晶明. 基于ANSYS Workbench六自由度工業(yè)機器人動態(tài)特征分析[J]. 精密制造與自動化,2014(3):10-13.