基于ANSYS軟件的四軸工業(yè)機(jī)器人小臂自由模態(tài)分析

郜福亮， 張識(shí)超， 劉進(jìn)福， 張文舉

（1.常州銘賽機(jī)器人科技有限公司，江蘇常州213164；2.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164；3.71352部隊(duì)保障部，河南安陽(yáng)455000）

基于ANSYS軟件的四軸工業(yè)機(jī)器人小臂自由模態(tài)分析

郜福亮1， 張識(shí)超2， 劉進(jìn)福2， 張文舉3

（1.常州銘賽機(jī)器人科技有限公司，江蘇常州213164；2.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164；3.71352部隊(duì)保障部，河南安陽(yáng)455000）

四軸工業(yè)機(jī)器人的小臂是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的主要部件，小臂的結(jié)構(gòu)及其性能直接影響整個(gè)機(jī)器人的精度和性能，對(duì)小臂自由模態(tài)的分析至關(guān)重要。利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)四軸工業(yè)機(jī)器人的小臂進(jìn)行模態(tài)分析，自由模態(tài)分析能夠?qū)π”鄣膭偠燃罢麄€(gè)機(jī)器的穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。

模態(tài)分析；固有頻率；回轉(zhuǎn)頻率

0 引言

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，為企業(yè)節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，也為企業(yè)解決了招工困難等一系列問(wèn)題。由于其精度高，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人已成為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。同時(shí)工業(yè)機(jī)器人能夠大大地提高工作效率，為企業(yè)降低人工成本和生產(chǎn)成本。

四軸工業(yè)機(jī)器人的小臂是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的主要機(jī)構(gòu)之一，小臂的結(jié)構(gòu)及其性能直接影響整個(gè)機(jī)器人的精度和性能。小臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)頻率對(duì)小臂的性能有著直接的影響，小臂的固有頻率和小臂的剛度、強(qiáng)度有著直接的關(guān)系。本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)四軸工業(yè)機(jī)器人的小臂進(jìn)行自由模態(tài)分析，自由模態(tài)分析能夠?qū)π”鄣膭偠燃罢麄€(gè)機(jī)器的穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。

1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)。模態(tài)分析的要點(diǎn)是在積分運(yùn)動(dòng)方程以前，利用系統(tǒng)自由振動(dòng)的固有振型將方程組轉(zhuǎn)換為n個(gè)相互不耦合的方程，對(duì)這種方程可以解析或數(shù)值地進(jìn)行積分。模態(tài)分析就是對(duì)以下幾個(gè)方程的求解。

2 有限元模型的建立

由于四軸工業(yè)機(jī)器人的幾何模型非常復(fù)雜，在ANSYS里面建模比較麻煩，所以使用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件SolidWorks對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模，并簡(jiǎn)化機(jī)器人的模型，根據(jù)圣維南原理，采用等效質(zhì)量體代替，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中。

本文中小臂使用的材料為鑄鋼，其彈性模量為7.1× 1010Pa，屈服極限560 MPa，，密度7 800 kg/m3。采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為6 659，共有13 210個(gè)節(jié)點(diǎn)。小臂在實(shí)際工作過(guò)程中，只有繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此將小臂下端連接處X、Y方向固定。

3 模態(tài)分析求解

將上面定義的約束添加到建立好的小臂模型，然后對(duì)小臂進(jìn)行求解分析，得到小臂的各階模態(tài)的振型，如圖1所示。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，可以得出：小臂的固有頻率較高，一階固有頻率已達(dá)到62 Hz，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，其回轉(zhuǎn)頻率為50 Hz，遠(yuǎn)小于小臂的一階固有頻率，因此小臂本身的剛度已滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，不需再提高其固有頻率。小臂的固有頻率雖已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其固有頻率偏低，這可能導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率更低，從而與激勵(lì)頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生共振，且其前兩階振型都主要表現(xiàn)為整體作平移振動(dòng)，說(shuō)明小臂上下兩端剛度不足，比較薄弱，對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大。為提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的固有頻率，保證整體的穩(wěn)定性，需要對(duì)小臂進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，加強(qiáng)其剛度。

圖1 模態(tài)振型

表1 小臂的固有頻率和振型特征

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS建立了四軸工業(yè)機(jī)器人小臂的有限元模型，對(duì)小臂進(jìn)行了模態(tài)分析，分析發(fā)現(xiàn)小臂的一階固有頻率高于電機(jī)的回轉(zhuǎn)頻率，小臂本身的剛度已滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，但是其固有頻率還是偏低，特別是小臂上下兩端剛度不足，比較薄弱，還需要對(duì)小臂進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，加強(qiáng)其剛度。

［1］ 王昆，劉進(jìn)福，莫賢，等.基于ANSYS Workbench的焊接機(jī)器人大臂預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析［J］.機(jī)械工程師，2014（2）：159-160.

［2］ 張功學(xué)，田楊.基于ANSYS Workbench的變速自行車(chē)車(chē)架的有限元分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2009（6）：63-65.

［3］ 呂廷，石秀東.基于ANSYS的破碎機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（11）：99-101.

［4］ 章華，孔曉玲，趙文龍，等.基于ANSYS Workbench的連續(xù)障礙圓餅的有限元分析［J］.機(jī)械工程師，2011（2）：81-83.

［5］ 陳金玉，楊來(lái)俠.基于ANSYS Workbench的手機(jī)外殼的有限元網(wǎng)格劃分研究［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008（1）：58-60.

（編輯昊 天）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0154－02

郜福亮（1986—），工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人及職能裝備。

2014-03-03