基于ANSYS Workbench的六軸機械手焊縫打磨的有限元分析

伍賢洪 莫名韶 周文軍

（南寧職業技術學院，南寧 530008）

隨著國內制造產業的轉型升級，工業機器人的應用面不斷擴大。在一些勞動強度大、重復性工作、工作環境差以及工作精度要求高的制造領域中，工業機器人得到了重視。例如，焊縫打磨工序作業環境差，噪聲大、粉塵多、勞動強度大等，而應用多軸機械手可以有效解決這些問題[1]。但是，利用工業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用

某企業生產通信設備框架結構件，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。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定性，常規情況下使大臂保持豎直，第六軸與大臂垂直狀態。具體形態及機械手結構模型，如圖1所示。

圖1 ABB六軸E19型機械手結構圖

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構，通過左右兩個擺線電機分別帶動第二軸旋轉，和帶動連桿推動第三軸轉動。打磨工具通過夾具與機械手第六軸相連，打磨工具與夾具質量控制在5 kg以內。機械手額定載質量為75 kg，重復定位精度為0.2 mm以內，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，利用裝配體直接導入ANSYS會存在較多的無效接觸，故利用SolidWorks進行重建模，再導入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計，保留底座、驅動臂座、大手臂以及前爪等主要零部件，如圖2所示。末端執行機構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構添加到模型中。

圖2 重建的機械手模型

2.2 有限元模型建立

為確保網格劃分的單元質量均勻，刪除模型上的螺栓安裝孔，同時對小圓角、小倒角等局部結構座進行精細劃分處理。關聯性設為50，關聯中心設為良好[2]，最小單元規格設置為1.0×10-3mm，共劃分網格578 219，網格模型如圖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系，形成接觸對，內部表現為黏合或不分離。機器人的材料選用結構鋼，彈性模量E為200 GPa，密度ρ設為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3。

圖3 機械手有限元網格模型

3 有限元分析

3.1 機械手模態分析

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

圖4 六軸機械手1～6階模態振型云圖

圖4（a）為第1階模態振型，固有頻率26.904 Hz，機械手末端第六軸處出現較大振幅，最大變形量達6.328 mm；圖4（b）為第2階模態振型，固有頻率29.532 Hz，也在機械手第六軸末端處出現較大振幅，最大變形量達6.238 mm；圖4（c）為第3階模態振型，固有頻率49.072 Hz，振幅最大位置出現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階模態振型，固有頻率157.850 Hz，振幅最大位置出現在連桿中部，出現大幅度抖動，變形量為16.745 mm；圖4（f）為第6階模態振型，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振動，最大振幅為7.991 5 mm。

綜合1～6階模態結果可看出，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 簡諧響應分析

機械手在焊縫打磨工作環境下，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曲線來預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特性進行觀察預判[3-4]。設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。因低階響應較為強烈，頻率范圍設定在0～80 Hz，機械手恒定的阻尼比為0.02。經過求解得到圖5機械手第六軸末端沿X、Y、Z軸方向的振幅響應曲線。

圖5 機械手第六軸末端的振幅響應曲線

通過對圖5數值的對比發現，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 結語

本文以ABB某型號六軸機械手應用于焊縫打磨工況為研究對象，獲得該機械手靜態下的6階固有頻率、振幅數值以及變形區域，為該機械手的應用場景提供了頻率參考。通過進一步分析工作受迫狀態下的簡諧響應曲線，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用提供參考。