伍賢洪 莫名韶 周文軍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530008）

隨著國內(nèi)制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)機器人的應(yīng)用面不斷擴大。在一些勞動強度大、重復(fù)性工作、工作環(huán)境差以及工作精度要求高的制造領(lǐng)域中，工業(yè)機器人得到了重視。例如，焊縫打磨工序作業(yè)環(huán)境差，噪聲大、粉塵多、勞動強度大等，而應(yīng)用多軸機械手可以有效解決這些問題[1]。但是，利用工業(yè)機械手打磨焊縫需要考慮打磨承載力、工作行程以及打磨過程中振動對打磨精度、重復(fù)定位和機械手臂的影響，因此需要分析驗證，以獲得最佳的工作狀況。

1 ABB某型號六軸自由度機械手焊縫打磨應(yīng)用

某企業(yè)生產(chǎn)通信設(shè)備框架結(jié)構(gòu)件，焊縫成型后焊縫短、多，需打磨余高、飛濺、焊渣、焊瘤等保證外觀質(zhì)量。大多情況下通過人工打磨完成，打磨精度需控制在0.2 mm范圍以內(nèi)。為解決這個問題，擬采用ABB六軸自由度的機械手進行打磨。因該機械手不具備自適應(yīng)的打磨力控制，主要通過恒力與恒行程來控制，即控制機械手與工件之間的距離、機械手的移動范圍來去除多余焊縫材料。為保證機械手的剛度和穩(wěn)定性，常規(guī)情況下使大臂保持豎直，第六軸與大臂垂直狀態(tài)。具體形態(tài)及機械手結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 ABB六軸E19型機械手結(jié)構(gòu)圖

該型號機械手為落地式安裝，通過基座固定在地面上。它的第二軸與第三軸之間有一連桿結(jié)構(gòu)，通過左右兩個擺線電機分別帶動第二軸旋轉(zhuǎn)，和帶動連桿推動第三軸轉(zhuǎn)動。打磨工具通過夾具與機械手第六軸相連，打磨工具與夾具質(zhì)量控制在5 kg以內(nèi)。機械手額定載質(zhì)量為75 kg，重復(fù)定位精度為0.2 mm以內(nèi)，最大移動速度為2.1 m·s-1。

2 建立有限元模型

2.1 三維模型

因機械手零部件較多，利用裝配體直接導(dǎo)入ANSYS會存在較多的無效接觸，故利用SolidWorks進行重建模，再導(dǎo)入ANSYS Workbench中。重建模型舍棄了一些不必要的附加零件，利用配重方式對部分零件進行重新設(shè)計，保留底座、驅(qū)動臂座、大手臂以及前爪等主要零部件，如圖2所示。末端執(zhí)行機構(gòu)的夾具與打磨工具將以負載的方式添加，不作為機械手原本結(jié)構(gòu)添加到模型中。

圖2 重建的機械手模型

2.2 有限元模型建立

為確保網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量均勻，刪除模型上的螺栓安裝孔，同時對小圓角、小倒角等局部結(jié)構(gòu)座進行精細劃分處理。關(guān)聯(lián)性設(shè)為50，關(guān)聯(lián)中心設(shè)為良好[2]，最小單元規(guī)格設(shè)置為1.0×10-3mm，共劃分網(wǎng)格578 219，網(wǎng)格模型如圖3所示。對機械手基座底面實施全約束，各主要零部件之間保留了配合關(guān)系，形成接觸對，內(nèi)部表現(xiàn)為黏合或不分離。機器人的材料選用結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E為200 GPa，密度ρ設(shè)為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3。

圖3 機械手有限元網(wǎng)格模型

3 有限元分析

3.1 機械手模態(tài)分析

對六自由度機械手進行靜態(tài)狀況下的模態(tài)分析，獲得其在無阻尼條件下的振動固有頻率。通常情況下，機械結(jié)構(gòu)主要是受低階頻率響應(yīng)影響較大，故選用1～6階模態(tài)振型作為主要分析對象。通過分析得到其結(jié)果，如圖4所示。

圖4 六軸機械手1～6階模態(tài)振型云圖

圖4（a）為第1階模態(tài)振型，固有頻率26.904 Hz，機械手末端第六軸處出現(xiàn)較大振幅，最大變形量達6.328 mm；圖4（b）為第2階模態(tài)振型，固有頻率29.532 Hz，也在機械手第六軸末端處出現(xiàn)較大振幅，最大變形量達6.238 mm；圖4（c）為第3階模態(tài)振型，固有頻率49.072 Hz，振幅最大位置出現(xiàn)在第六軸末端和連桿頂部，最大變形量達5.55 mm；圖4（d）為第4階模態(tài)振型，固有頻率62.689 Hz，機械手第六軸末端處的振幅增大，最大變形量達7.212 8 mm；圖4（e）為第5階模態(tài)振型，固有頻率157.850 Hz，振幅最大位置出現(xiàn)在連桿中部，出現(xiàn)大幅度抖動，變形量為16.745 mm；圖4（f）為第6階模態(tài)振型，固有頻率200.540 Hz，振幅最大位置在連桿中部，但同時大臂與擺線電機位置也出現(xiàn)振動，最大振幅為7.991 5 mm。

綜合1～6階模態(tài)結(jié)果可看出，1～4階的振形變化位置主要在機械手第六軸末端位置處，最大幅度為7.212 8 mm，振動頻率范圍為26～63 Hz。第5階與第6階的振形變化則出現(xiàn)在連桿位置和大臂位置，其中最大連桿變形為16.745 mm，振動頻率范圍為157～203 Hz。因此，在焊縫打磨的過程中，需盡量避開以上頻率范圍，降低振動幅度。

3.2 簡諧響應(yīng)分析

機械手在焊縫打磨工作環(huán)境下，需要承受打磨中引起的受迫振動。為保證打磨的精度結(jié)果，機械手需要克服工況條件下的共振、疲勞等不良效果。在1～6階模態(tài)振型中，振幅最大位置主要集中在第六軸末端位置，故需要研究在不同頻率下第六軸末端位移響應(yīng)曲線來預(yù)測機械手在焊縫打磨過程中的可靠性。因此，在機械手第六軸末端加載簡諧變化的載荷來對機械手的響應(yīng)特性進行觀察預(yù)判[3-4]。設(shè)定機械手末端打磨載荷＞50 kg，即在第六軸端面施加500 N大小的力。因低階響應(yīng)較為強烈，頻率范圍設(shè)定在0～80 Hz，機械手恒定的阻尼比為0.02。經(jīng)過求解得到圖5機械手第六軸末端沿X、Y、Z軸方向的振幅響應(yīng)曲線。

圖5 機械手第六軸末端的振幅響應(yīng)曲線

通過對圖5數(shù)值的對比發(fā)現(xiàn)，X、Y軸方向的振動比Z方向上的振動低一些，其中X軸方向影響最小，最大振幅為1.082 4 mm，而Z軸的影響最大，振幅值可達5.299 4 mm。所有3個方向的振幅曲線變動與機械手的固有頻率變動范圍是相符的。

可以看出，在外部作用力的作用下，機械手的振幅值隨之變動。從變化趨勢中可以看出：在0～35 Hz低頻下，受迫振動明顯；隨著頻率的增大，受迫振動幅度不斷下降；超過70 Hz后，最大振幅小于0.2 mm，機械手的工作精度即可大幅提高。

4 結(jié)語

本文以ABB某型號六軸機械手應(yīng)用于焊縫打磨工況為研究對象，獲得該機械手靜態(tài)下的6階固有頻率、振幅數(shù)值以及變形區(qū)域，為該機械手的應(yīng)用場景提供了頻率參考。通過進一步分析工作受迫狀態(tài)下的簡諧響應(yīng)曲線，仿真計算該機械手的最大振幅共振頻率，驗證該機械手在諧激勵下的抗振能力和滿足工作精度的頻率范圍，可為該機械手的實際焊縫打磨應(yīng)用提供參考。