曾紅　魏旭東　馮帆

摘要：三角架組合體作為履帶式爬壁機器人的重要支撐件，其機械性能決定船體大面積焊接作業(yè)的可靠性。以鋼板吸附力為基礎，對爬壁焊接機器人三角架組合體進行有限元分析，得到模型的受力、變形和前四階模態(tài)振型;隨后分析求解相關結果，利用參數(shù)靈敏度分析方法，對三角架組合體的結構進行優(yōu)化。運用ANSYS Workbench軟件對優(yōu)化后的結構進行模擬仿真，得到總組合體的變形量、應力值均有一定程度下降，模態(tài)振型的表現(xiàn)形式轉變?yōu)檩^平穩(wěn)的平動或擺動狀態(tài)。提高了機器人運動的平穩(wěn)性，對大面積船體焊接質量的穩(wěn)定性提供技術支撐。

關鍵詞：

機器人三角架組合體;有限元分析;靈敏度分析法

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.004

中圖分類號： TP242?2

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）01-0023-06

Structural Optimization Design of Tripod Assembly?of Steel Plate Climbing Robot

ZENG Hong?1，WEI Xu?dong?2，F(xiàn)ENG Fan?3

（1?Rongcheng Campus，Harbin University of Science and Technology，Rongcheng 264300，China;

2?School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;

3?College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Abstract：As an important supporting part of the crawler wall?climbing robot， the mechanical properties of the tripod assembly determine the reliability of the large area welding operation of the hull?In this paper， based on the adsorption force of steel plate， finite element analysis is performed on the tripod assembly of the wall?climbing welding robot to obtain the force， deformation and the first four modes of the model?Then we analyze and solve the relevant results， and the structure of the tripod assembly is optimized by the method of parameter sensitivity analysis?Using ANSYS Workbench software to simulate the optimized structure， the deformation and stress values of the total assembly are reduced to a certain degree， and the form of modal shape changed to a more stable translational or swing state?Optimized combination improves the smoothness of the robot′s movement and provides technical support for the stability of large?area hull welding quality

Keywords：robot triangular plate combination; finite element analysis; parameter sensitivity analysis

0引言

在機器人領域中，最引人注目的新技術之一就是行走式或爬行式智能機器人。其中爬壁機器人技術日漸成熟，逐漸運用于高層寫字樓玻璃幕墻維護或清洗、重型船舶大型設備檢測與焊接，尤其是履帶式機器人[1]。其穩(wěn)定性好、適應能力強，對提升勞動生產(chǎn)率、更好地符合企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)條件、降低生產(chǎn)中安全事故的發(fā)生有重要意義[2-4]。

關于爬壁機器人的研究，國外已有半個世紀的歷史，特別是歐美和日本的研究所[5]。國內研究人員也在爬壁機器人理論知識及實驗優(yōu)化做了許多的研究工作，如文[6-8]。但研究方面多為機器人的建模仿真和驗證， 無法為爬壁機器人的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

隨著有限元分析的日益發(fā)展，其在土木建筑、流體力學、磁場中運用十分廣泛，工廠和企業(yè)通過有限元技術可以進行模擬仿真、優(yōu)化產(chǎn)品結構和減少設計成本等[9]。因此，在力學分析的基礎上，本文利用有限元分析方法對爬壁機器人中對實際焊接作業(yè)有重要影響的三角架組合體進行分析，得到相應的應力、變形參數(shù)與前四階模態(tài)振型。通過圖表分析數(shù)據(jù)、比較強度極限，從而提早發(fā)現(xiàn)重要部件三角架結構在實際運作條件下出現(xiàn)的問題。隨后根據(jù)實際作業(yè)中的技術和功能要求，結合參數(shù)靈敏度分析方法，對三角架組合體的結構進行優(yōu)化，使組合體充分保證爬壁機器人進行焊接作業(yè)時的安全可靠。

1爬壁機器人的力學分析

要實現(xiàn)機器人在壁面的作業(yè)，就要進行力學分析，以便于后續(xù)在攜帶焊接設備等負重的情況下進行討論。當爬壁機器人運動時，要提供足夠的吸附力，防止機器人在爬行過程中出現(xiàn)大角度偏斜、脫落等事故。

本文采用的爬壁機器人為履帶式，其底座結構如圖1所示。

這里以機器人最主要的運動形式，沿壁面勻速為例進行分析。機器人如果上爬，驅動力由兩側電機提供。根據(jù)相關資料文[10]，結合靜力學中的幾個危險狀態(tài)，焊接爬壁機器人沿船舶壁面做直線運動時的力和力矩平衡方程見式（1）、（2）所示。

∑?n1?i=1?F?f-G-ma=0（1）

W2（∑?n2?i=1?N?i）+GH+maH-W2F?p=0（2）

式中m為機器人總質量;i為機器人從動輪編號（i=5～12）;N?i?為電機驅動力（i=1，2），a為機器人的運動加速度。H為本機器人重心G到地面高度，W為兩個驅動輪間距。

整理后，我們得到勻速運動時，機器人的吸附力滿足的條件如式（3）所示：

F?p≥?max?G+maμ，2HW（G+ma） （3）

設計?H?為160.mm，?W?為385.mm，爬行速度?v?不超過0?1.m/min，并且可以變速調整;焊槍等負載加機器人自重?G?'為40.kg，最大重力加速度?a?為0?15.g。取摩擦因數(shù)?μ?為0?5，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，帶入公式（3）中，計算后得機器人的臨界吸附力為?1.440?N。

2機器人三角架組合體的有限元仿真

2.1機器人三角架組合體靜力分析

由于三角架與輪軸和機器人側板軸相連接，其構成的組合體的強度對復雜工況下焊接工作的安全與穩(wěn)定有重要影響。因此，利用ANSYS Workbench對履帶式焊接機器人的三角架組合體進行分析具有較強的工程應用價值。

首先在軟件中設定三角架組合體的金屬材料為304不銹鋼，泊松比?ρ?=0?3，彈性模量?E?=200.GPa，密度?μ?=?7.890?kg/m?3。隨后利用Mechanical模塊對模型結構進行處理。從動輪采用自動劃分網(wǎng)格，軸及三角架采用四面體網(wǎng)格劃分方法。設置模型的邊界約束為三根軸的軸端，頂軸設置為完全約束，其余軸設置為無摩擦約束。采用第1章的數(shù)據(jù)進行分析，在每個輪子施加180.N的力，隨后加載自身重力，求解得到的三角架組合體變形與應力結果如圖2、圖3所示。

當三角架組合體在只受自身重力時，如圖3所示，最大應力為26?477.MPa，出現(xiàn)在鄰近頂軸下端的三角架上。根據(jù)相關資料[11]，可知室溫下不銹鋼的屈服極限大于該應力值;不銹鋼的最大變形量為?0?002.8?mm，各部件也均出現(xiàn)一定的應力和應變，故應將結構進一步優(yōu)化，提高三角架的承載能力。

2.2機器人三角架組合體模態(tài)仿真

模態(tài)是機械結構的固有振動特性。通過該分析，可評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性、診斷故障及放止共振等。將模態(tài)模塊與先前處理的靜態(tài)模塊相關聯(lián)，生成三角架組合體的前四階模型固有頻率和振型效果云圖如圖4所示。

由于三角架整體結構的剛度主要由第一階固有頻率所決定，故對低階系統(tǒng)進行研究即可發(fā)現(xiàn)模型運動時存在的問題。由圖可知，一、三階振型變形主要出現(xiàn)在兩從動輪處下部;四階振型變形主要出現(xiàn)在兩從動輪處上部。特別需要關注的是二階變形，其變形出現(xiàn)在輪子兩側面且扭轉方向不同，變形量在40.mm左右，輪子或與三角架發(fā)生碰撞。當電機或磁鐵振動頻率與其發(fā)生共振時，三角架易產(chǎn)生較大變形，使機器人的運動發(fā)生偏斜，使焊接質量變差甚至造成一定的生產(chǎn)事故，這也進一步說明了三角架進行優(yōu)化設計，降低三角架組合體的共振變形或扭轉。

3實驗驗證

將單個三角架作為實驗驗證模型，進一步驗證模態(tài)仿真的準確性，如圖5所示。三角架的幾何參數(shù)與有限元分析中相同，如表1所示。通過力錘沖擊實驗來獲得工件應變模態(tài)，采用Kistler5236B旋轉式測力儀和5238B電荷放大器收集實驗過程信號。分別用PCB 3330B加速度計和測量了16個激勵點位置的加速度響應和動態(tài)應變響應。采用靈敏度為10?42.mv/g的PCB加速度傳感器，東華DH5922采集系統(tǒng)收集加工過程加速度信號。采用靈敏度為3?41.pC/N力錘來進行模態(tài)試驗獲得三角架的固有頻率。采用激光位移傳感器測量加工過程工件的變形量。激光位移傳感器型號為KEYENCE LK?H020，采樣周期為5.μs。應變模態(tài)測量裝置示意圖如圖5所示。

圖6為敲擊點設置示意圖，給出了16個不同力錘敲擊點的位置。然而，在實驗中，存在一些不可避免的誤差因素，可能導致在結構邊界附近的應變測量不準確。因此，在實驗結果中去除了在邊界處點1和點16的不準確的實驗應變數(shù)據(jù)。試驗所得三角架四種應變模態(tài)如圖7所示。

從表1和圖7可以看出，初始動態(tài)有限元模型和三角架結構的動態(tài)特性幾乎相近。初始動態(tài)有限元模型計算頻率與相應測量結果之間的最大相對誤差為14?40%，最小相對誤差僅為1?87%。因此，動態(tài)有限元模型可用于進行相關的模態(tài)分析。

4機器人三角架的優(yōu)化設計

鑒于上述分析，綜合考慮爬壁機器人從動輪的可靠性及在船舶等墻壁環(huán)境的要求，可利用參數(shù)的靈敏度分析對三角架進行優(yōu)化設計。

4.1優(yōu)化尺寸的選擇

ANSYS Workbench的Design Exploration模塊就是利用靈敏度分析原理進行參數(shù)優(yōu)化的。其原理是通過數(shù)學和機械理論分析，選擇對機械結構特性影響較大的設計參數(shù)，根據(jù)靈敏度數(shù)值大小，確定影響較大的參數(shù)，隨機進行優(yōu)化[12]。

針對三角架組合體的結構，初步選取如圖8所示的5個尺寸。這些尺寸都處于應力較大區(qū)，且尺寸不存在干涉或依賴關系，不會導致模型再生失敗，可進行尺寸優(yōu)化。

在不影響組合體整體性能的前提下，確定優(yōu)化尺寸初始值及變化范圍如表2所示。需要注意的是，D3、D4和D5均為對稱分布，即若要進行優(yōu)化時，各相應尺寸均需要進行調整。

基于六西格瑪?shù)呐卸ㄔ瓌t，通過Ansys自身迭代，5個尺寸對三角架的應力和一階固有頻率靈敏度影響情況如圖9所示。

4.2優(yōu)化尺寸靈敏度分析

圖9顯示靈敏度出現(xiàn)正負值，當值為正，說明當此尺寸增大時，目標函數(shù)的值會相應增大;值為負，說明尺寸減少時，目標函數(shù)的值會相應減小。分析后發(fā)現(xiàn)D3、D4和D5對三角架組合體的影響較大，因此選擇這些尺寸進行最終優(yōu)化。

ANSYS Workbench的DOE環(huán)節(jié)可探究靈敏度最大時各尺寸出現(xiàn)的概率，優(yōu)化后的尺寸分別為：D3 11?2.mm，D4 66?7.mm和D5 6?3.mm，圓整得D3 11.mm，D4 67.mm和D5 6.mm。隨后按照本文第2章的設計步驟進行分析，得到改進后組合體的靜力學仿真結果和模態(tài)分析結果見表3所示。

由表格數(shù)據(jù)可知，三角架優(yōu)化后，使得總組合體變形量繼續(xù)減小;最大應力值下降17%。低階模態(tài)有了一定的提升，避開了振動頻率較低的電機或液壓系統(tǒng);同時二階模態(tài)振型轉為平動，變形量明顯減少;其余各模態(tài)振型多為較平穩(wěn)的平動或擺動，避免了不安全的工況發(fā)生。

5結論

三角架組合體對爬壁機器人的焊接作業(yè)穩(wěn)定性有重要影響，因此本文提出了一種關于機器人三角架及其組合體運行穩(wěn)定性的理論計算方法、有限元分析和優(yōu)化設計方法。將理論分析的計算結果帶入ANSYS Workbench中進行有限元及模態(tài)分析，結果表明三角架變形量和等效應力均小于許用值，其結構設計基本滿足設計要求。針對三角架組合體的模態(tài)振型可能導致機器人出現(xiàn)偏移、失穩(wěn)等不安全現(xiàn)象發(fā)生，本文采用參數(shù)靈敏度分析的方法對模型進行優(yōu)化，優(yōu)化后三角架組合體的變形量、應力值均有一定程度下降，模態(tài)振型多轉變?yōu)槠絼踊驍[動，說明優(yōu)化后的組合體令機器人運行更加平穩(wěn)，使爬壁機器人充分按照指定命令行進，充分保證了實際焊接作業(yè)的安全可靠，對機器人其他部件的優(yōu)化設計具有一定的參考價值。

參 考 文 獻：

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