基于ANSYS的噴涂機(jī)器人擺桿模態(tài)分析

占曉煌 ，陳潤六 ，鄒曉暉 ，鄭小民 ，王紅州 ，張志勇

（1.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095；2.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西 南昌 330002）

基于ANSYS的噴涂機(jī)器人擺桿模態(tài)分析

占曉煌1，2，陳潤六1，2，鄒曉暉1，2，鄭小民1，2，王紅州1，2，張志勇1

（1.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095；2.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西 南昌 330002）

本文以噴涂機(jī)器人的擺桿為研究對象，利用SolidWork建立了幾何模型，將擺桿模型保存為Parasolid格式并導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件。對噴涂機(jī)器人擺桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，獲得了噴涂機(jī)器人擺桿前10階的固有頻率。并通過臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式獲得了臨界轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了噴涂機(jī)器人擺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。為其下一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，有利于提高噴涂機(jī)器人的可靠性與壽命。

模態(tài)分析；固有頻率；ANSYS

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械系統(tǒng)在其平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)會降低機(jī)械動(dòng)態(tài)進(jìn)度和使用性能。共振是工程中重要的概念，它在激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)發(fā)生，所以計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率或臨界轉(zhuǎn)速具有重要意義。

擺桿是噴涂機(jī)器人的核心功能部件，噴涂機(jī)器人工作時(shí)，其擺桿在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會受到各種作用力的影響，如果擺桿發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，噴涂機(jī)器人的工作精度、可靠性以及壽命會受到很大影響。

為了驗(yàn)證噴涂機(jī)器人擺桿的結(jié)構(gòu)是否具有合理性，尤其是在工作時(shí)是否會發(fā)生共振情況，因此，必須對其進(jìn)行模態(tài)分析。本文運(yùn)用三維軟件SolidWorks和有限元軟件A NS Y S對噴涂機(jī)器人擺桿進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)分析的結(jié)果提出優(yōu)化策略。本研究對實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)都具有重要意義。

1 噴涂機(jī)器人擺桿有限元模型的建立

考慮到噴涂機(jī)器人擺桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選擇軟件SolidWorks進(jìn)行建模。并對模型進(jìn)行了合理的簡化處理：（1）將擺桿模型中的小圓角、小倒角和退刀槽等特征去除；（2）忽略因焊接造成零件本身的彎曲剛度等影響。利用Solidworks建立出該擺桿的三維幾何模型，如圖1所示。然后將擺桿模型輸出為Parasolid格式并導(dǎo)入到有限元分析軟件A NS Y S中。而后將導(dǎo)入的模型進(jìn)行修復(fù)以形成幾何實(shí)體模型。建立有限元模型還必須對單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分等設(shè)置。設(shè)置有限元模型單元為Solid45，材料屬性設(shè)置參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)體模型

表1 擺桿參數(shù)

網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的單元數(shù)量直接影響計(jì)算量和計(jì)算精度，由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜因此采用自由(F r e e)網(wǎng)格劃分，取劃分大小為5 mm。共劃分生成實(shí)體單元47947個(gè)，節(jié)點(diǎn)15953個(gè)，得到如圖2所示的實(shí)體單元的有限元模型。

圖2 有限元模型

2 噴涂機(jī)器人擺桿的模態(tài)分析

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)力學(xué)可知，擺桿的振型是由所有階次的固有振型進(jìn)行相加而成的，并且對整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性起主導(dǎo)作用的前幾階次的固有振型決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性基本上也是前幾階有振型。由于擺桿的低階模態(tài)才對擺桿的振動(dòng)分析有實(shí)際的參考價(jià)值，故此次模態(tài)分析只計(jì)算擺桿的前10階固有頻率。

模型的約束方式不同，對模態(tài)分析產(chǎn)生的結(jié)果也不同，邊界條件發(fā)生變化，產(chǎn)生的的模態(tài)也會發(fā)生變化。針對噴涂機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行情況，采取對擺桿端面施加固定約束。

通過A NS Y S定義噴涂機(jī)器人擺桿的定義邊界條件、設(shè)定模態(tài)分析項(xiàng)和分析求解，最后得到擺桿前10階固有頻率結(jié)果如表2所示。

表2 擺桿前10階固有頻率

3 噴涂機(jī)器人擺桿的臨界轉(zhuǎn)速

若噴涂機(jī)器人在工作時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷提高到達(dá)一定速度后就會逐漸出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，并在某一轉(zhuǎn)速達(dá)到共振，則這個(gè)轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。機(jī)器人短時(shí)間在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致機(jī)器人噴涂精度發(fā)生偏差，若長時(shí)間在臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)則會使得擺桿疲勞加速和使用壽命縮短。

在實(shí)際工作條件下，影響噴涂機(jī)器人的臨界轉(zhuǎn)速因素多種多樣，例如擺桿結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、預(yù)緊方式和使用環(huán)境等。根據(jù)擺桿的使用要求和結(jié)合具體噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立簡化模型。噴涂機(jī)器人擺桿的臨界轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系可以簡化為：

式中，N為臨界轉(zhuǎn)速（r/mi n）；f為頻率（Hz）。

將A NS Y S分析所獲得的擺桿前10階固有頻率代入式（1），得到擺桿前10階固有頻率所對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速。擺桿的一階固有頻率值為415.90 Hz，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為24954 r/mi n。為了確保噴涂機(jī)器人擺桿工作時(shí)具有可靠的精度，擺桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速必須低于該擺桿一階臨界轉(zhuǎn)速的75%。

噴涂機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速為2000 r/mi n，與該擺桿的一階臨界轉(zhuǎn)速24954 r/mi n進(jìn)行比對，可明顯得知該擺桿工作時(shí)最高轉(zhuǎn)速都遠(yuǎn)低于計(jì)算得出的一階固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速的75%。而一階以后各階固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速更高，所以可以得出該擺桿在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可以保證該噴涂機(jī)器人的可靠性和精度。

4 結(jié)語

（1）本文采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立了擺桿的幾何模型，再將幾何模型導(dǎo)入A NS Y S分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到了擺桿的有限元模型。

（2）通過自由振動(dòng)方程求得擺桿的模態(tài)矩陣，并通過A NS Y S對擺桿進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前10階固有頻率。

（3）根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速與頻率簡化公式，計(jì)算得到該擺桿前10階固有頻率的臨界轉(zhuǎn)速。擺桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速低于該擺桿一階臨界轉(zhuǎn)速的75%。得出該擺桿在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可以保證該噴涂機(jī)器人的可靠性和精度。

（4）本文建立的噴涂機(jī)器人擺桿模型、有限元模型和模態(tài)分析結(jié)果，可為該擺桿后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐數(shù)據(jù)。

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TP242；TP273

：A

：1671-0711（2017）12（下）-0086-02

江西省教育廳重點(diǎn)課題：基于觸摸屏和P MA C的噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)研究（項(xiàng)目編號：G J J 151484）。