基于有限元分析的打磨機(jī)器人設(shè)計(jì)與性能研究

姚光瑞，喬赫廷，張禹

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引 言

目前我國(guó)在工件打磨方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，依然是工人使用工具進(jìn)行打磨、研磨、修銼等方式進(jìn)行去毛刺和表面處理加工，機(jī)械化打磨應(yīng)用少，打磨精度不足，效率低[1]。國(guó)外對(duì)拋光打磨機(jī)器人研究起源較早，在20 世紀(jì)80年代末，工業(yè)較發(fā)達(dá)的日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家針對(duì)打磨過(guò)程中刀具的切削力、刀具路徑、進(jìn)給速度、材料去除率等關(guān)鍵因素進(jìn)行了深入研究，并由此研發(fā)了一系列成熟的打磨設(shè)備[2-5]。本文將機(jī)床與機(jī)械臂結(jié)合起來(lái)，利用機(jī)床的高精度和機(jī)械臂的靈活性設(shè)計(jì)一款打磨機(jī)器人。使打磨機(jī)器人顯著地提高了打磨效率和打磨質(zhì)量，同時(shí)也大大改善了勞動(dòng)者的工作條件和產(chǎn)品更新?lián)Q代的效率，加快了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。

1 打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用SolidWorks軟件建立三維模型，如圖1所示。該打磨機(jī)器人主要由機(jī)架、轉(zhuǎn)臺(tái)和刀具組三部分構(gòu)成[6]；機(jī)架是打磨機(jī)器人的重要基礎(chǔ)部件，其主要作用是通過(guò)直線導(dǎo)軌帶動(dòng)X、Y、Z軸進(jìn)行反復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，改變刀具位置并精準(zhǔn)定位。本文采用雙層螺栓聯(lián)接的機(jī)架，其中上下層機(jī)架分別采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，并通過(guò)角撐板和加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，因此在各個(gè)方向上滿足要求。

轉(zhuǎn)臺(tái)主要由伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)法蘭、減速器、支撐板等零部件組成[7]。伺服電動(dòng)機(jī)裝配在法蘭上面并與減速器相連接，為轉(zhuǎn)臺(tái)提供轉(zhuǎn)矩并帶動(dòng)零件繞X軸旋轉(zhuǎn)，使得打磨機(jī)器人能夠進(jìn)行復(fù)雜曲面打磨；轉(zhuǎn)臺(tái)底板通過(guò)軸承與左右的支撐板連接，其尺寸根據(jù)夾具和打磨工件的空間位置確定；轉(zhuǎn)臺(tái)整體固定安裝在X軸直線導(dǎo)軌上方頂板，為增強(qiáng)其穩(wěn)定性和強(qiáng)度，在左右支撐板位置增加筋板。

圖1 打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

刀具部分由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和打磨刀具組成。通過(guò)A、B軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)使銑刀完成任意角度的轉(zhuǎn)變，刀具能夠單點(diǎn)多角度運(yùn)動(dòng)。其中A、B轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為±180°和±90°，重復(fù)定位精度可達(dá)±1′；打磨刀具采用銑刀，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸來(lái)帶動(dòng)銑刀對(duì)工件進(jìn)行多角度打磨。因此X、Y、Z三軸及A、B轉(zhuǎn)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成了一個(gè)高效率、高精度、高度智能化的六軸聯(lián)動(dòng)的打磨機(jī)器人。

2 打磨機(jī)器人有限元預(yù)處理

2.1 材料屬性及網(wǎng)格的劃分

為提高機(jī)架的剛度和強(qiáng)度，材料選擇45鋼，其材料屬性如表1所示[8]。

本文采用SolidWorks軟件建立的床身三維數(shù)字模型，由于定位孔、螺紋孔、圓角和倒角等特征對(duì)打磨機(jī)器人有限元模型的動(dòng)態(tài)特性影響較小，因此進(jìn)行刪除或簡(jiǎn)化，然后再導(dǎo)入至ANSYS Workbench中[9]。

根據(jù)打磨機(jī)器人有限元模型，本文網(wǎng)格劃分主要采用六面體網(wǎng)格劃分，針對(duì)個(gè)別零件采取四面體網(wǎng)格或者自由劃分，并依據(jù)各個(gè)零件自身的尺寸和位置來(lái)確定單元大小尺寸。

2.2 約束及載荷的施加

打磨機(jī)器人通過(guò)床身上的X、Y、Z三軸帶動(dòng)刀具組和工件運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)用來(lái)支撐和輔助工件運(yùn)動(dòng)。因此打磨機(jī)器人的主要載荷包括機(jī)器人自重、工件質(zhì)量和工作載荷。床身下部與地基固定連接，故將其設(shè)定為固定約束。本文設(shè)計(jì)的打磨機(jī)器人應(yīng)用于鑄鐵件打磨，因此載荷大小為1000 N，打磨方向?yàn)?Y。

3 打磨機(jī)器人靜力學(xué)分析

將打磨機(jī)器人模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，經(jīng)過(guò)靜力學(xué)分析后的結(jié)果如圖2、圖3所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知：機(jī)架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有變形。轉(zhuǎn)臺(tái)下面直線導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)左右支撐板處有微小變形，但不影響整體性能。主要變形發(fā)生在轉(zhuǎn)臺(tái)地板，由兩側(cè)向中間逐步加大，最大變形可達(dá)88 μm，最大應(yīng)力可 達(dá) 28 MPa。由于45 鋼的屈服極限為355 MPa，28 MPa遠(yuǎn)小于屈服極限，因此打磨機(jī)器人能夠滿足剛度和強(qiáng)度的要求。

圖2 打磨機(jī)器人總變形圖

圖3 打磨機(jī)器人應(yīng)力圖

4 打磨機(jī)器人模態(tài)分析

因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中,打磨機(jī)器人會(huì)受到多種外界振源（如電動(dòng)機(jī)）的激勵(lì),為了降低自身的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響,防止加工過(guò)程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象,故對(duì)打磨機(jī)器人進(jìn)行模態(tài)分析。機(jī)器人模態(tài)分析的約束條件和靜態(tài)特性分析的約束條件一致，即將床身底部設(shè)定為固定約束。對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，提取打磨機(jī)器人前6 階模態(tài)。其振型和各階固有頻率如圖4所示[10]。

根據(jù)圖4可知，第2、4、6階頻率相對(duì)變形大，刀具不夠穩(wěn)定，則會(huì)影響到打磨的精度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)和選取電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)該避開(kāi)這些頻率來(lái)減小或消除影響。根據(jù)其變形情況，可以通過(guò)加大刀具尺寸和增加前后筋板進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 前6階振型圖

5 結(jié) 論

本文對(duì)打磨機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)靜態(tài)有限元分析，得到了打磨機(jī)器人整體方案、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及打磨機(jī)器人的應(yīng)力應(yīng)變和前6階固有頻率。由靜力學(xué)分析可知，最大變形量為88 μm和最大應(yīng)力為28 MPa，均在材料所允許的正常范圍內(nèi)，故打磨機(jī)器人在強(qiáng)度和剛度方面上符合要求。通過(guò)模態(tài)分析，得到了打磨機(jī)器人前6階固有頻率及對(duì)應(yīng)的振型，分析了固有頻率對(duì)機(jī)器人性能的影響，得到了臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，打磨機(jī)器人能夠基本滿足剛度和強(qiáng)度要求，符合設(shè)計(jì)理念。