競賽用步兵機器人摩擦輪發射裝置的力學性能分析

蔣冬清， 李三雁， 熊仁偉， 王宗玥， 秦 琴

(成都錦城學院智能制造學院，四川 成都 611731)

0 引 言

在社會的發展過程當中，機器人已經成為各大企業市場開拓、效能提升的重要手段，工業和信息化部等15個部門聯合印發了《“十四五”機器人產業發展規劃》，提出從技術突破、拓展應用、打造生態等多個維度來推動機器人產業高質量發展[1]。自2017起年中國已成為全球機器人使用量最大的國家之一，且機器人的需求仍保持著每年58%左右的高速增長。但從長遠發展來看，相較歐美等發達國家，中國機器人在技術積累和智能化水平面還有較大的發展空間。

為了培養提升大學生的創新實戰協作能力，推動機器人技術的更新發展，國內外各類機器人競賽不斷興起，這些機器人比賽以對戰為主要形式。機器人對戰過程中，運行穩定是戰隊獲勝的一個重要因素，而摩擦輪作為推送子彈出膛的最終執行者，它的結構特性和穩定性對打擊的精準度有直接的影響[2-3]。因此設計一套穩定的摩擦輪發射裝置是射擊步兵機器人比賽獲勝的關鍵。

目前大部分學者利用不同的方法對摩擦輪發射裝置進行優化設計和提出了各種理論指導。胡晉齋[4]提出了一種網球摩擦輪快速發射裝置；張曉程[5]在ANSYS疲勞分析中提供了分析步驟；史銀花[6]提出了一種吸球和傳球相結合的發球裝置；白永明[7]提出了連接件的隨機振動疲勞壽命分析和產品的優化方案；但是，應該注意到上述的研究大部分以提出分析步驟和結構設計優化為主，對于摩擦輪發射裝置在不同工況下的性能分析較少。在機器人比賽過程中，由于兩方機器人均是在運動的情況下進行射擊，摩擦輪發射裝置會出現振動、疲勞磨損和碰撞產生受力過大而發生損壞等復雜工況，從而引起摩擦輪裝置出現磨損、斷裂、發熱、射擊偏離預定軌道等情況[8]。本文利用UG軟件進行三維實體建模，通過ANSYS有限元仿真軟件針對摩擦輪發射裝置進行仿真，得到摩擦輪發射裝置的模態振型、諧響應變形云圖，同時對摩擦輪發射裝置進行瞬態動力學和疲勞壽命分析得到瞬態應力應變及疲勞壽命曲線，為摩擦輪發射裝置的性能分析和產品優化設計提供理論支撐。

1 摩擦輪發射裝置結構介紹

摩擦輪發射裝置由兩個2305無刷伺服電機，兩個snail-2305摩擦輪、一個彈頭、一塊摩擦輪底座構成。摩擦輪發射裝置以2305無刷伺服電機為動力源，彈頭為彈丸的發射通道，摩擦輪底座用來固定2305無刷伺服電機和彈頭。在裝配上，2305無刷伺服電機頂部分別通過M2螺紋孔與snail-2305摩擦輪及摩擦輪底座連接，彈頭安裝在兩個snail-2305摩擦輪中間，通過4個M2螺紋孔固定在摩擦輪底座上。彈丸通過彈頭傳輸到摩擦輪發射裝置的兩個snail-2305摩擦輪間隙當中，利用摩擦輪發射裝置旋轉雙輪擠壓彈丸發射原理發射彈丸。由于snail-2305摩擦輪的高速旋轉，彈丸受到摩擦輪反向摩擦力和擠壓作用，獲得動力提升到指定初速度，進入預定彈道，沿預定軌跡運動。其UG三維模型和導入ANSYS模型如圖1所示。

圖1 摩擦輪發射裝置三維模型

2 摩擦輪發射裝置模型建立

大學生機器人大賽對抗機器人的摩擦輪發射裝置主要通過摩擦輪將橡膠子彈推送出去打擊敵人。因此在整個發射裝置中摩擦輪的材料性能尤其重要。聚氨酯包膠是在摩擦輪結構當中比較常用的一種材料，抗疲勞老化、耐磨、防腐蝕等方面性能優異，在正常壓力溫度下使用壽命可以達到5～10年，橡膠與金屬粘接強度好。現在工藝的粘結層優異的粘接強度有效避免了橡膠層與金屬裂開、脫裂等現象的發生，該材料綜合性價比較高[9]。介于以上原因在中國大學生機器人大賽中絕大部分摩擦輪采用了該材料，聚氨酯包膠的相關具體參數如表1所示。

表1 摩擦輪材料參數

確定了主要材料后，利用UG三維軟件按照摩擦輪發射裝置實物1∶1建立仿真模型后導入ANSYS軟件，最后通過ANSYS軟件對摩擦輪發射裝置進行摩擦輪的模態和疲勞的仿真分析。

3 ANSYS有限元分析

3.1 網格劃分及簡化處理

在UG三維軟件建立摩擦輪發射裝置后，導入ANSYS有限元仿真軟件時對模型進行合理簡化。參考相關研究[7]后略去各零件間的螺栓連接部分，改為剛性連接。為了得到更精確的結果，同時對摩擦輪部分采取了網格加密處理，利用ANSYS軟件，對電機和摩擦輪部分進行網格優化，使得整體網格節點達到85 575個，網格單元達到40 974個。網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

3.2 模態分析

為深入了解發射機構在載荷條件下的振動特性，在使用時盡量避開結構的固有頻率[10-11]，減少由自激勵振動帶來的破壞，本文利用ANSYS軟件對結構進行模態分析，得到前6階模態振型云圖及固有頻率，如表2、圖3所示。

表2 摩擦發射裝置的各階固有頻率

通過圖3分析得出在各階固有頻率下摩擦發射裝置的最大變形量，如圖4所示。在模態分析中的變形量是夸張表示的，不代表結構實際位移變形量，利用這些數據主要找出各固有頻率的變形規律。

圖3 前6階模態分析云圖

圖4 各階固有頻率下最大變形量比較

從摩擦輪發射裝置的前6階模態振型云圖分析可得出以下結論：

1）最大振型量時固有頻率接近于1 456.6 Ηz。分析結果表明，摩擦輪發射裝置的固有頻率在5階模態振型的可能性最大，使用時發射裝置的運行振動頻率應當盡量避開摩擦輪結構的固有頻率。

2）最大變形量顯示在摩擦輪與電機連接處，而摩擦輪采用的是彈性材料，因此可以通過增加摩擦輪與電機連接處的倒角半徑，從而減小由于應力集中引起的破壞。對系統而言，固有頻率的大小與系統的阻尼、質量、剛度等因素有關，固有頻率大小與系統的剛度成正比，與質量和阻尼成反比。因此，為了避免共振，可以通過調節系統的阻尼、質量和剛度系數或者通過制造材料的選型，避免自激勵源頻率接近于固有頻率。

3.3 諧響應分析

摩擦輪發射裝置在實際工作中需要頻繁的啟動暫停，運動情況較為復雜。激振頻率通常出現無規律的隨機振動及多種振型疊加的情況。對模型施加一定的隨機振動頻率，從而對復雜、多變的疊加式載荷進行模擬分析[12]。電機的極限轉速為350 rad/s，因此設置邊界條件為：對電機施加500～2 000 Ηz振動，對摩擦輪發射裝置進行諧響應分析。仿真結果表明在1 520 Ηz時變形量最大，圖5為1 520 Ηz時的諧響應分析結果。分析還得到節點Ⅰ的頻率變形曲線圖，如圖6所示。曲線結果表明在1 456.6 Ηz時變形量達到最大，該結果與模態5階振動頻率相同。結合模態仿真分析結果，諧響應頻率與5階模態頻率振型較為接近，由此進一步驗證了摩擦輪發射裝置的固有頻率在該振動頻率的可能性較大。因此摩擦輪發射裝置的自激勵振動源應當盡量避免在此頻率區間內，以免發生共振，從而產生較大的應力值和較大的變形導致發生破壞。

圖5 1 520 Hz時諧響應分析云圖

圖6 節點I的頻率-變形曲線

4 摩擦系數對結構的受力影響

4.1 瞬態動力學分析

瞬態結構動力學分析（又稱時間歷程分析）是用來確定固定結構隨時間變化的動力學響應的常用方法。通過瞬態動力學Newmark隱式時間積分法分析，可以確定結構在簡諧載荷、瞬態載荷、和穩態載荷隨意組合作用下隨時間變化的位移、應變、應力及力[13-14]。其相關量之間的關系下式所示：

式中：M——質量矩陣；

C——阻尼矩陣；

K——剛度矩陣；

X——位移向量；

F(t)——變載荷向量。

對摩擦輪發射機構模型在邊界條件設置為：摩擦輪施加350 rad/s旋轉速度，動摩擦系數設定為0.2的工況載荷下進行仿真分析，ANSYS分析結果表明最大變形量為1.588 6×10-2mm，發生在摩擦輪與彈丸接觸處；最大應變為3.070 4×10-4；最大應力值為47.592 MPa。該分析結果與模態分析結果基本一致。分析所得變形云圖、應變云圖、 應力云圖如圖7所示 。

圖7 特定工況下瞬態動力學云圖

根據云圖數據得到摩擦輪及電機端面徑向應力分布情況如圖8所示，可以看出應力有較為明顯的尖峰位置，從這些位置分析得出摩擦輪的應力集中發生在電機軸接觸處及連接固定點的周圍；電機端面的較大應力集中在連接固定點和徑向端部。

圖8 摩擦輪和電機徑向應力變化趨勢

4.2 摩擦系數對結構受力的影響

對于摩擦發射機構來說，摩擦系數是一個非常重要的參數，摩擦系數越大，發射動力越足，但同時也會引起結構受力的一些變化。在上述瞬態動力學分析的基礎上，保持轉速和其他條件不變，完成摩擦系數分別為0.16, 0.18, 0.20, 0.22的仿真測試，得出不同摩擦系數下摩擦輪所受應力的變換趨勢如圖9所示。

圖9 摩擦系數對最大應力的影響

由圖9可以看出，轉速和其他因素不變的情況下，隨著摩擦系數增大，摩擦輪所受最大應力值會隨之變大。

5 不穩定振幅疲勞分析

疲勞是指材料在循環應力和應變的作用下在一處或者多處產生永久性積累損傷，經過一定的循環次數后產生裂紋或者發生完全斷裂的過程[15]。計算不規律載荷歷程的循環，使用把不規律應力轉化為用于疲勞計算的雨流循環計數，通過Palmgren-Miner法則完成損傷累計。采用彈性假設和Miner累計損傷，利用ANSYS對機構進行疲勞分析得出壽命云圖、安全系數云圖，仿真結果如圖10所示。仿真結果表明，摩擦輪發射裝置最大能承受循環載荷1×106次，最先發生疲勞破壞的在固定底板的螺栓孔位置。通過安全系數云圖可得，摩擦輪安全系數最高為15，彈丸安全系數最低為0.262 13，彈頭由于受到彈丸帶來的較大沖擊載荷容易發生破壞。結合瞬態動力學分析結果可以得出，摩擦輪發射裝置的摩擦輪部分通過摩擦和擠壓為彈丸提供動力來源，達到預定的速度并按照預定的軌跡運動，同時也容易使電機與摩擦輪的連接處產生較大應力，與此同時也會導致彈頭受到沖擊載荷影響，降低了彈頭的使用安全系數。因此，使用時應當增加彈頭厚度，采用更優化的連接設計，增加摩擦輪發射裝置的使用壽命。

圖10 疲勞分析云圖

6 結束語

1)通過對摩擦輪發射裝置的模態分析，得到前6階振型云圖。根據仿真結果分析，最大振型量出現在1 456.6 Ηz附近，說明摩擦輪發射裝置在此激勵頻率附近發生共振的可能性較大。

2）通過對摩擦輪發射裝置進行諧響應分析，得到在1 520 Ηz頻率時，摩擦輪發射裝置的變形量和應力達到最大值，同時通過選定節點獲取位移-加速度-頻率曲線，進一步確定了模態分析在第5階模態固有頻率時容易產生共振，因此在使用該裝置時應當盡量避免動力頻率在此頻率附近。

3）通過對摩擦輪發射裝置進行瞬態動力學分析，得到瞬態動力學變形、應變云圖、應力云圖。從這些圖樣得出最大應變出現在電機與摩擦輪接觸部分，設計時應當在這個位置增大倒角半徑或者消除加工表面刀痕，減小應力集中現象，避免由應力集中而應力的斷裂和零件失效。

4）通過比對分析得出，轉速和其他因素不變的情況下，隨著摩擦系數增大，摩擦輪所受最大應力值會隨之變大。

5）依據“雨流計數法”和“Miner線性疲勞積累損傷”理論，對摩擦輪發射裝置進行疲勞壽命分析，得到摩擦輪發射裝置的疲勞壽命云圖和安全系數云圖，結果表明摩擦輪發射裝置在循環載荷的作用下承受1×106次后發生疲勞破壞。分析表明摩擦輪發射機構的彈頭受彈丸的沖擊載荷，使用過程中安全系數降低。結合瞬態動力學分析，進一步為摩擦輪發射裝置安全穩定的使用提供了理論支撐。

綜上分析，為了提高摩擦輪發射裝置的可靠性和工作穩定性，降低摩擦輪發射裝置的失效概率，本文在設計和使用過程中應當充分考慮不確定性載荷和負載載荷對結構產生的影響，利用ANSYS軟件對摩擦輪發射裝置進行模擬仿真分析，得到摩擦輪發射裝置的應力分布和受力狀態，為后續使用者和設計者的使用、優化設計、尺寸參數的調整，摩擦系數的選擇、受載能力的優化提供了理論參考依據。