基于ANSYS的六自由度工業機器人有限元分析

夏正雷，倪受東，范宇鑫，尹振華

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

由于工業生產對智能設備需求的迅猛發展，工業自動化設備在工業中得到廣泛的應用，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分析[2]，分析機器人的頻率和振動特性[3]，防止其工作時發生共振。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、電機等。做機器人鋼材具有很好的屈服強度，腕關節需提起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。因機器人根據不同零件而更換末端執行器，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格。所以將關聯性設為100，關聯中心設為良好，最小邊緣長度為1.834 5e-003 mm，劃好的網格如圖3所示。

圖3 六自由度機器人有限元網格劃分模型

3 有限元分析

1) 模態分析

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，其腰關節出現較大幅度的擺動，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社區的網格化管理進行試點創新，但隨之而來又出現了新的問題。

圖4(b)為第2階振型，機器人的大臂、小臂彎曲程度增加，腕關節出現的變形最大，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，除腕關節外，其余部位變形量減少，腕關節變形最大，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機器人在工況條件下克服共振、抵抗疲勞等受迫振動產生的不良效果，本節通過研究不同頻率下機器人腕關節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]。由于機器人系統末端負載能力要求>70kg，所以在腕關節施加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。經過求解便可以得到圖5-圖7機器人腕關節沿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 機器人腕關節沿x軸方向的振幅響應曲線

圖6 機器人腕關節沿y軸方向的振幅響應曲線

圖7 機器人腕關節沿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頻率范圍，分析簡諧響應曲線，測出六自由度工業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，為其進一步結構優化和工況作業提供參考。

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分析[J]. 機械設計與制造,2012(1):147-149.

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