基于ANSYS的六自由度工業(yè)機(jī)器人靜力學(xué)分析

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)治 046011）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中，六自由度機(jī)器人的應(yīng)用非常普遍，工業(yè)機(jī)器人零部件的微小變形，會(huì)對(duì)機(jī)器人的精度產(chǎn)生影響，六自由度機(jī)器人的制造成本較高，開發(fā)周期較長(zhǎng)，數(shù)值模擬能夠極大縮短開發(fā)周期，同時(shí)找到更加合理的設(shè)計(jì)方案[1～3]。使用Pro/E軟件確定機(jī)器人各個(gè)零部件的質(zhì)量和相對(duì)位置，計(jì)算求得各個(gè)部分的載荷大小，在ANSYS中模擬，能夠直觀展現(xiàn)旋轉(zhuǎn)座、擺動(dòng)臂、擺動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力和應(yīng)變圖[4,5]。

1 六自由度機(jī)器人模型建立

1.1 建立幾何模型

六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用等效剛度代換理論，忽略線路、電位器、導(dǎo)線管等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的部件，將簡(jiǎn)化后的旋轉(zhuǎn)座、擺動(dòng)臂、擺動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)臂作剛性一體化處理[6～8]，得到機(jī)器人模型如圖1所示。

1.2 定義模型材料及網(wǎng)格劃分

六自由度機(jī)器人安裝底座使用耐磨性好的HT 250灰鑄鐵，旋轉(zhuǎn)座、擺動(dòng)臂、擺動(dòng)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)臂均采用線收縮小的ZL 108，材料屬性如表1所示。使用ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分工具對(duì)旋轉(zhuǎn)座、擺動(dòng)臂、擺動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)臂分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表2所示，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖1 六自由度工業(yè)機(jī)器人模型

圖2 機(jī)器人零件網(wǎng)格劃分結(jié)果

表1 機(jī)器人零件材料屬性

表2 各零部件網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)

2 六自由度機(jī)器人零部件靜力學(xué)分析

2.1 施加載荷

機(jī)器人的末端執(zhí)行器在水平位置的位移量最大，選取該位置進(jìn)行分析。由于自身重力，機(jī)器人各部分位置不同，受力也不同。以擺動(dòng)關(guān)節(jié)為例，豎直方向受到機(jī)器人旋轉(zhuǎn)臂和腕關(guān)節(jié)的作用，總質(zhì)量為3.549kg，力的大小為49.490N，端面面積為0.003383m3，產(chǎn)生的壓力為0.01463MPa，在Pro/E中測(cè)得力的作用點(diǎn)距離擺動(dòng)臂端部沿臂展方向的距離為98.26mm，產(chǎn)生4863N·mm的力矩。各部分的受力大小如下表3所示。

表3 機(jī)器人零件載荷大小

2.2 應(yīng)力分析

無(wú)預(yù)加載荷狀態(tài)下，得到機(jī)器人零部件的應(yīng)力分布云圖3和應(yīng)力大小表4。

圖3 重力作用下的應(yīng)力分布云圖

表4 重力作用下的應(yīng)力大小

從圖3和表4可以看出，在無(wú)荷重時(shí)，機(jī)器人零部件中，旋轉(zhuǎn)座的最大應(yīng)力為0.76352MPa，擺動(dòng)臂的最大應(yīng)力為1.0513MPa，擺動(dòng)關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力為0.31246MPa，旋轉(zhuǎn)臂的最大應(yīng)力為0.37608MPa，擺動(dòng)臂承受的應(yīng)力最大，為1.0513MPa，危險(xiǎn)位置在與旋轉(zhuǎn)座連接處圓形端面的右側(cè)邊緣，擺動(dòng)關(guān)節(jié)承受的應(yīng)力最小。最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZL 108的許用應(yīng)力。

2.3 應(yīng)變分析

載荷和約束施加到擺動(dòng)臂上后，進(jìn)行求解，得到擺動(dòng)臂無(wú)荷重下的總形變位移分布圖4和應(yīng)變大小表5。

圖4 重力作用下的總應(yīng)變分布云圖

表5 重力作用下的應(yīng)變大小

從圖4和表5可以看出，無(wú)荷重時(shí)，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)座的最大形變量為0.00079073mm，擺動(dòng)臂的最大形變量為0.0040107mm，擺動(dòng)關(guān)節(jié)的最大形變量為0.00031286 mm，旋轉(zhuǎn)臂的形變量為0.00035741mm，相比之下，擺動(dòng)臂的應(yīng)變最大，對(duì)于機(jī)器人精度的影響更大，應(yīng)變最大的位置在擺動(dòng)臂右側(cè)頂端。

3 結(jié)論

建立了六自由度工業(yè)機(jī)器人模型，使用Pro/E軟件得到機(jī)器人模型各個(gè)部分的質(zhì)量、質(zhì)心、坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使用ANSYS對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得了機(jī)器人旋轉(zhuǎn)座、擺動(dòng)臂、擺動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在無(wú)荷重時(shí)，機(jī)器人零部件中擺動(dòng)臂承受的應(yīng)力最大，為1.0513MPa，危險(xiǎn)位置在與旋轉(zhuǎn)座連接處圓形端面的右側(cè)邊緣，擺動(dòng)關(guān)節(jié)承受的應(yīng)力最??；無(wú)荷重時(shí)，六自由度機(jī)器人擺動(dòng)臂的應(yīng)變最大，為0.0040107mm，位于擺動(dòng)臂右側(cè)頂端。