遙控維護(hù)主從機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析

廖梓龍

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

遙控維護(hù)的工作是在有輻射的環(huán)境下進(jìn)行的，考慮到應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的以人手直接操作的維護(hù)方式，難于滿足高能物理大科學(xué)裝置維護(hù)工作的要求。它主要是指采用機(jī)械人 (手)或?qū)ｉT的自動(dòng)化裝備在大科學(xué)裝置中進(jìn)行設(shè)備檢修、放射性廢料處置等維護(hù)和日常監(jiān)測(cè)工作，降低維護(hù)人員受輻射量以及勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備維護(hù)的水平［1］。當(dāng)前，遙控維護(hù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃等多個(gè)大科學(xué)裝置，成為這些大科學(xué)裝置中輻射部件維護(hù)不可或缺的重要工具。

由于主從式機(jī)器人 (手)支持非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作［2］，因此主從機(jī)械手在核電站的熱室維護(hù)中也得到應(yīng)用。有鑒于此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為主從機(jī)械手性能能夠滿足熱室維護(hù)工作可靠性的需求，并其標(biāo)準(zhǔn)《放射性物質(zhì)用遙控裝卸設(shè)備．第2部分:仿效機(jī)械手》(ISO 17874－2－2004)中將主從機(jī)械手列為熱室遙控裝卸的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，并對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和性能提出相應(yīng)的要求［3］。

動(dòng)力學(xué)分析是主從機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用利用動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果能夠校核有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、修改有限元模型，修改后的模型能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性，為后續(xù)的分析及優(yōu)化提供可靠的基礎(chǔ)。

從動(dòng)力學(xué)角度研究面向遙控維護(hù)的主從機(jī)械手的特性:創(chuàng)建了主從機(jī)械手的整機(jī)有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了整機(jī)靜力學(xué)預(yù)分析;繼而對(duì)其進(jìn)行了整機(jī)的模態(tài)分析，計(jì)算出了主從機(jī)械手的前6階的固有頻率以及相應(yīng)的振型;通過(guò)對(duì)主從機(jī)械手的模態(tài)分析，分析得出主從機(jī)械手的薄弱零部件，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 遙控維護(hù)主從機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的在熱室里遙控維護(hù)的主從機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。主操作手是遙控維護(hù)系統(tǒng)的操作端，維護(hù)工作者通過(guò)操縱主操作手來(lái)驅(qū)動(dòng)從操作手以達(dá)到相應(yīng)的動(dòng)作。主操作手的自由度要求與從操作手的自由度相對(duì)應(yīng)。從操作手是遙控維護(hù)系統(tǒng)中執(zhí)行操縱的部分，它是主從機(jī)械手最重要的部分之一。主從操作手動(dòng)力傳遞與控制裝置的作用是將是采集維護(hù)工作人員操作在主操作手上的各種動(dòng)作，傳遞給從操作手。

為了實(shí)現(xiàn)在熱室內(nèi)任意位姿的遙控維護(hù)，從操作手應(yīng)有6個(gè)以上自由度。考慮到從手需要操縱末端執(zhí)行器的，從操作手的手指需要具有開(kāi)合的自由度，用于遙控維護(hù)工具的夾持。因此滿足上述需求的從操作手應(yīng)有7個(gè)或7個(gè)以上的自由度。從操作手除了具有七個(gè)獨(dú)立動(dòng)作外，還有兩個(gè)電動(dòng)輔助動(dòng)作 (即Y向、X向調(diào)整動(dòng)作)，以擴(kuò)展機(jī)械手的可操作區(qū)域，滿足機(jī)械手的動(dòng)作需求。

主從式機(jī)械手目前有同構(gòu)和異構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式［4］。主從同構(gòu)機(jī)械手中主手和從手的結(jié)構(gòu)相同，且主手和從手的自由度和對(duì)應(yīng)關(guān)系都相同，而異構(gòu)形式則是兩手結(jié)構(gòu)相異?？紤]到本論文中主手設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡，故采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。為此主手也應(yīng)有與從手對(duì)應(yīng)的7個(gè)自由度，維護(hù)工作者通過(guò)操縱主操作手來(lái)驅(qū)動(dòng)從操作手以達(dá)到相應(yīng)的動(dòng)作，它能完成的七個(gè)獨(dú)立動(dòng)作有X向、Y向、Z向、方位旋轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕扭轉(zhuǎn)和夾鉗開(kāi)閉。它要求具有靈活度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖1 主從機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 主從機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析

2.1 有限元建模

本文研究的主從機(jī)械手主要由主動(dòng)臂、從動(dòng)臂、橫梁、外殼、齒輪、軸、鏈輪等幾部分組成。主從機(jī)械手CAD模型在繪圖軟件Solidworks中建立。為提高分析效率、改善網(wǎng)格劃分效果，在進(jìn)行有限元分析前，需要簡(jiǎn)化CAD模型中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的過(guò)渡圓角、倒角和螺紋孔等。簡(jiǎn)化后的CAD模型通過(guò)Solidworks與ANSYS Workbench之間的數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Workbench中。

主從機(jī)械手由多個(gè)零件組成，導(dǎo)入Workbench后需要為每個(gè)零件指定相應(yīng)的材質(zhì)屬性，表1列出了檢測(cè)機(jī)各零件選用材料的屬性。根據(jù)實(shí)際邊界條件，在主機(jī)械手一端添加固定約束。與主從機(jī)械手各零件的剛度相比，各零件結(jié)合面的剛度較低，對(duì)整機(jī)性能影響較大，需要選擇合適的方法處理結(jié)合面的影響。本文分別使用Workbench中的Banded和No Separation接觸單元模擬主從機(jī)械手螺栓固定結(jié)合面和導(dǎo)軌結(jié)合面。

表1 材質(zhì)屬性

因?yàn)闄z測(cè)機(jī)零部件大多形狀不規(guī)則，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇計(jì)算精度良好、能較好適應(yīng)不規(guī)則形狀的solid－brick 20node95塊單元，單元尺寸大小與各零部件具體形狀、尺寸相適應(yīng)。劃分完成后共得到70 127個(gè)單元，28 528個(gè)節(jié)點(diǎn)。檢測(cè)機(jī)整機(jī)有限元模型如圖2所示。

2.2 預(yù)分析結(jié)果

作為模態(tài)分析的輔助分析，靜力學(xué)分析是十分必要的，靜力學(xué)分析中各零件所用材料的屬性和模態(tài)分析完全一致。靜力學(xué)分析的各零件接觸條件以及加載條件、邊界條件等等的取法都和模態(tài)分析相同。通過(guò)靜力學(xué)分析，初步分析結(jié)構(gòu)剛度以及各部分連接問(wèn)題，驗(yàn)證加載條件、邊界條件的正確性。其中重力加速度取為9.8 N/m2，從機(jī)械手加載至其最大抓取載荷70 N，具體加載情況如圖3所示。

圖2 機(jī)械手有限元模型

圖3 機(jī)械手有限元模型

分析步驟如下:1、設(shè)置計(jì)算類型為靜態(tài)分析;2、選擇單元類型;3、定義材料參數(shù);4、定義截面;5、生成幾何模型;6、劃分網(wǎng)格;7、施加約束;8、分析計(jì)算;9、結(jié)果顯示和處理。

圖4 從機(jī)械手應(yīng)力云圖

從機(jī)械手整體應(yīng)力、應(yīng)變水平較低，結(jié)果顯示在從機(jī)械手下側(cè)部分應(yīng)力、應(yīng)變較其他部分大，在和橫梁的結(jié)合部位較為危險(xiǎn)。

橫梁部分的整體應(yīng)力應(yīng)變水平較從機(jī)械手大1倍左右，從應(yīng)力云圖來(lái)看，其容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位為與從機(jī)械手相連接的部位。

圖5 從機(jī)械手應(yīng)變?cè)茍D

圖6 橫梁應(yīng)力云圖

圖7 橫梁應(yīng)變?cè)茍D

主機(jī)械手的整體應(yīng)力應(yīng)變水平較橫梁略大，從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D來(lái)看，中間豎桿與其他部件的連接部分可能會(huì)存在應(yīng)力集中的問(wèn)題。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)主從機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到整機(jī)的固有頻率和振型。檢測(cè)機(jī)是一個(gè)具有無(wú)窮多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，存在無(wú)窮多階模態(tài)。但只有前幾階固有頻率接近外部激勵(lì)頻率，高階固有頻率對(duì)系統(tǒng)影響較?。?］。因此這里只分析檢測(cè)機(jī)前六階模態(tài)，模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2，振型如圖10所示。

圖8 主機(jī)械手應(yīng)力云圖

圖9 主機(jī)械手應(yīng)變?cè)茍D

表2 機(jī)械手整體模態(tài)分析結(jié)果

從上述分析結(jié)果可以看出，檢測(cè)機(jī)整機(jī)第一階固有頻率為7.72 Hz，低于機(jī)械手工作頻率，但由于制造、裝配誤差，以及實(shí)際工作環(huán)境的影響，機(jī)械手實(shí)際頻率會(huì)低于計(jì)算值。因此，應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)余量，避免出現(xiàn)共振。主從機(jī)械手的主動(dòng)臂、從動(dòng)臂與橫梁的連接部位應(yīng)力較大，動(dòng)剛度較差，這對(duì)主從機(jī)械手檢測(cè)精度、穩(wěn)定性影響顯著。有必要對(duì)上述零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善其動(dòng)態(tài)性能。

通過(guò)對(duì)主從機(jī)械手整體所進(jìn)行的模態(tài)分析可知，橫梁z方向所對(duì)應(yīng)的一階振型頻率最低，這是我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所應(yīng)該首要考慮進(jìn)行優(yōu)化的地方，其次是橫梁x方向以及從機(jī)械手的Y方向，可考慮在這些方向?qū)Y(jié)構(gòu)的幾何尺寸進(jìn)行一些改動(dòng)或者添加一些支撐結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)橫梁以及從機(jī)械手的整體剛度進(jìn)行加強(qiáng)，從而增加主從機(jī)械手的前6階固有頻率，減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用有限元模態(tài)分析技術(shù)，通過(guò)有限元方法對(duì)主從機(jī)械手進(jìn)行了模型的力學(xué)簡(jiǎn)化以及整體有限元建模，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化以及加載條件，并考慮重力的情況下，對(duì)主從機(jī)械手進(jìn)行了整體結(jié)果預(yù)分析，根據(jù)預(yù)分析結(jié)果對(duì)主從機(jī)械手進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算出了主從機(jī)械手的前6階固有頻率和相應(yīng)的振型，通過(guò)對(duì)主從機(jī)械手的模態(tài)分析，得到主從機(jī)械手的薄弱零部件 (主機(jī)械手連接橫桿、從機(jī)械手與橫梁連接件等)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

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