競賽用步兵機(jī)器人摩擦輪發(fā)射裝置的力學(xué)性能分析

蔣冬清， 李三雁， 熊仁偉， 王宗玥， 秦 琴

(成都錦城學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引 言

在社會的發(fā)展過程當(dāng)中，機(jī)器人已經(jīng)成為各大企業(yè)市場開拓、效能提升的重要手段，工業(yè)和信息化部等15個部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出從技術(shù)突破、拓展應(yīng)用、打造生態(tài)等多個維度來推動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[1]。自2017起年中國已成為全球機(jī)器人使用量最大的國家之一，且機(jī)器人的需求仍保持著每年58%左右的高速增長。但從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，相較歐美等發(fā)達(dá)國家，中國機(jī)器人在技術(shù)積累和智能化水平面還有較大的發(fā)展空間。

為了培養(yǎng)提升大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)戰(zhàn)協(xié)作能力，推動機(jī)器人技術(shù)的更新發(fā)展，國內(nèi)外各類機(jī)器人競賽不斷興起，這些機(jī)器人比賽以對戰(zhàn)為主要形式。機(jī)器人對戰(zhàn)過程中，運(yùn)行穩(wěn)定是戰(zhàn)隊(duì)獲勝的一個重要因素，而摩擦輪作為推送子彈出膛的最終執(zhí)行者，它的結(jié)構(gòu)特性和穩(wěn)定性對打擊的精準(zhǔn)度有直接的影響[2-3]。因此設(shè)計一套穩(wěn)定的摩擦輪發(fā)射裝置是射擊步兵機(jī)器人比賽獲勝的關(guān)鍵。

目前大部分學(xué)者利用不同的方法對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和提出了各種理論指導(dǎo)。胡晉齋[4]提出了一種網(wǎng)球摩擦輪快速發(fā)射裝置；張曉程[5]在ANSYS疲勞分析中提供了分析步驟；史銀花[6]提出了一種吸球和傳球相結(jié)合的發(fā)球裝置；白永明[7]提出了連接件的隨機(jī)振動疲勞壽命分析和產(chǎn)品的優(yōu)化方案；但是，應(yīng)該注意到上述的研究大部分以提出分析步驟和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化為主，對于摩擦輪發(fā)射裝置在不同工況下的性能分析較少。在機(jī)器人比賽過程中，由于兩方機(jī)器人均是在運(yùn)動的情況下進(jìn)行射擊，摩擦輪發(fā)射裝置會出現(xiàn)振動、疲勞磨損和碰撞產(chǎn)生受力過大而發(fā)生損壞等復(fù)雜工況，從而引起摩擦輪裝置出現(xiàn)磨損、斷裂、發(fā)熱、射擊偏離預(yù)定軌道等情況[8]。本文利用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過ANSYS有限元仿真軟件針對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行仿真，得到摩擦輪發(fā)射裝置的模態(tài)振型、諧響應(yīng)變形云圖，同時對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)和疲勞壽命分析得到瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變及疲勞壽命曲線，為摩擦輪發(fā)射裝置的性能分析和產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

1 摩擦輪發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)介紹

摩擦輪發(fā)射裝置由兩個2305無刷伺服電機(jī)，兩個snail-2305摩擦輪、一個彈頭、一塊摩擦輪底座構(gòu)成。摩擦輪發(fā)射裝置以2305無刷伺服電機(jī)為動力源，彈頭為彈丸的發(fā)射通道，摩擦輪底座用來固定2305無刷伺服電機(jī)和彈頭。在裝配上，2305無刷伺服電機(jī)頂部分別通過M2螺紋孔與snail-2305摩擦輪及摩擦輪底座連接，彈頭安裝在兩個snail-2305摩擦輪中間，通過4個M2螺紋孔固定在摩擦輪底座上。彈丸通過彈頭傳輸?shù)侥Σ凛啺l(fā)射裝置的兩個snail-2305摩擦輪間隙當(dāng)中，利用摩擦輪發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)雙輪擠壓彈丸發(fā)射原理發(fā)射彈丸。由于snail-2305摩擦輪的高速旋轉(zhuǎn)，彈丸受到摩擦輪反向摩擦力和擠壓作用，獲得動力提升到指定初速度，進(jìn)入預(yù)定彈道，沿預(yù)定軌跡運(yùn)動。其UG三維模型和導(dǎo)入ANSYS模型如圖1所示。

圖1 摩擦輪發(fā)射裝置三維模型

2 摩擦輪發(fā)射裝置模型建立

大學(xué)生機(jī)器人大賽對抗機(jī)器人的摩擦輪發(fā)射裝置主要通過摩擦輪將橡膠子彈推送出去打擊敵人。因此在整個發(fā)射裝置中摩擦輪的材料性能尤其重要。聚氨酯包膠是在摩擦輪結(jié)構(gòu)當(dāng)中比較常用的一種材料，抗疲勞老化、耐磨、防腐蝕等方面性能優(yōu)異，在正常壓力溫度下使用壽命可以達(dá)到5～10年，橡膠與金屬粘接強(qiáng)度好?，F(xiàn)在工藝的粘結(jié)層優(yōu)異的粘接強(qiáng)度有效避免了橡膠層與金屬裂開、脫裂等現(xiàn)象的發(fā)生，該材料綜合性價比較高[9]。介于以上原因在中國大學(xué)生機(jī)器人大賽中絕大部分摩擦輪采用了該材料，聚氨酯包膠的相關(guān)具體參數(shù)如表1所示。

表1 摩擦輪材料參數(shù)

確定了主要材料后，利用UG三維軟件按照摩擦輪發(fā)射裝置實(shí)物1∶1建立仿真模型后導(dǎo)入ANSYS軟件，最后通過ANSYS軟件對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行摩擦輪的模態(tài)和疲勞的仿真分析。

3 ANSYS有限元分析

3.1 網(wǎng)格劃分及簡化處理

在UG三維軟件建立摩擦輪發(fā)射裝置后，導(dǎo)入ANSYS有限元仿真軟件時對模型進(jìn)行合理簡化。參考相關(guān)研究[7]后略去各零件間的螺栓連接部分，改為剛性連接。為了得到更精確的結(jié)果，同時對摩擦輪部分采取了網(wǎng)格加密處理，利用ANSYS軟件，對電機(jī)和摩擦輪部分進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，使得整體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)達(dá)到85 575個，網(wǎng)格單元達(dá)到40 974個。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 模態(tài)分析

為深入了解發(fā)射機(jī)構(gòu)在載荷條件下的振動特性，在使用時盡量避開結(jié)構(gòu)的固有頻率[10-11]，減少由自激勵振動帶來的破壞，本文利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階模態(tài)振型云圖及固有頻率，如表2、圖3所示。

表2 摩擦發(fā)射裝置的各階固有頻率

通過圖3分析得出在各階固有頻率下摩擦發(fā)射裝置的最大變形量，如圖4所示。在模態(tài)分析中的變形量是夸張表示的，不代表結(jié)構(gòu)實(shí)際位移變形量，利用這些數(shù)據(jù)主要找出各固有頻率的變形規(guī)律。

圖3 前6階模態(tài)分析云圖

圖4 各階固有頻率下最大變形量比較

從摩擦輪發(fā)射裝置的前6階模態(tài)振型云圖分析可得出以下結(jié)論：

1）最大振型量時固有頻率接近于1 456.6 Ηz。分析結(jié)果表明，摩擦輪發(fā)射裝置的固有頻率在5階模態(tài)振型的可能性最大，使用時發(fā)射裝置的運(yùn)行振動頻率應(yīng)當(dāng)盡量避開摩擦輪結(jié)構(gòu)的固有頻率。

2）最大變形量顯示在摩擦輪與電機(jī)連接處，而摩擦輪采用的是彈性材料，因此可以通過增加摩擦輪與電機(jī)連接處的倒角半徑，從而減小由于應(yīng)力集中引起的破壞。對系統(tǒng)而言，固有頻率的大小與系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量、剛度等因素有關(guān)，固有頻率大小與系統(tǒng)的剛度成正比，與質(zhì)量和阻尼成反比。因此，為了避免共振，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量和剛度系數(shù)或者通過制造材料的選型，避免自激勵源頻率接近于固有頻率。

3.3 諧響應(yīng)分析

摩擦輪發(fā)射裝置在實(shí)際工作中需要頻繁的啟動暫停，運(yùn)動情況較為復(fù)雜。激振頻率通常出現(xiàn)無規(guī)律的隨機(jī)振動及多種振型疊加的情況。對模型施加一定的隨機(jī)振動頻率，從而對復(fù)雜、多變的疊加式載荷進(jìn)行模擬分析[12]。電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速為350 rad/s，因此設(shè)置邊界條件為：對電機(jī)施加500～2 000 Ηz振動，對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行諧響應(yīng)分析。仿真結(jié)果表明在1 520 Ηz時變形量最大，圖5為1 520 Ηz時的諧響應(yīng)分析結(jié)果。分析還得到節(jié)點(diǎn)Ⅰ的頻率變形曲線圖，如圖6所示。曲線結(jié)果表明在1 456.6 Ηz時變形量達(dá)到最大，該結(jié)果與模態(tài)5階振動頻率相同。結(jié)合模態(tài)仿真分析結(jié)果，諧響應(yīng)頻率與5階模態(tài)頻率振型較為接近，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了摩擦輪發(fā)射裝置的固有頻率在該振動頻率的可能性較大。因此摩擦輪發(fā)射裝置的自激勵振動源應(yīng)當(dāng)盡量避免在此頻率區(qū)間內(nèi)，以免發(fā)生共振，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力值和較大的變形導(dǎo)致發(fā)生破壞。

圖5 1 520 Hz時諧響應(yīng)分析云圖

圖6 節(jié)點(diǎn)I的頻率-變形曲線

4 摩擦系數(shù)對結(jié)構(gòu)的受力影響

4.1 瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析（又稱時間歷程分析）是用來確定固定結(jié)構(gòu)隨時間變化的動力學(xué)響應(yīng)的常用方法。通過瞬態(tài)動力學(xué)Newmark隱式時間積分法分析，可以確定結(jié)構(gòu)在簡諧載荷、瞬態(tài)載荷、和穩(wěn)態(tài)載荷隨意組合作用下隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力[13-14]。其相關(guān)量之間的關(guān)系下式所示：

式中：M——質(zhì)量矩陣；

C——阻尼矩陣；

K——剛度矩陣；

X——位移向量；

F(t)——變載荷向量。

對摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)模型在邊界條件設(shè)置為：摩擦輪施加350 rad/s旋轉(zhuǎn)速度，動摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2的工況載荷下進(jìn)行仿真分析，ANSYS分析結(jié)果表明最大變形量為1.588 6×10-2mm，發(fā)生在摩擦輪與彈丸接觸處；最大應(yīng)變?yōu)?.070 4×10-4；最大應(yīng)力值為47.592 MPa。該分析結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果基本一致。分析所得變形云圖、應(yīng)變云圖、 應(yīng)力云圖如圖7所示 。

圖7 特定工況下瞬態(tài)動力學(xué)云圖

根據(jù)云圖數(shù)據(jù)得到摩擦輪及電機(jī)端面徑向應(yīng)力分布情況如圖8所示，可以看出應(yīng)力有較為明顯的尖峰位置，從這些位置分析得出摩擦輪的應(yīng)力集中發(fā)生在電機(jī)軸接觸處及連接固定點(diǎn)的周圍；電機(jī)端面的較大應(yīng)力集中在連接固定點(diǎn)和徑向端部。

圖8 摩擦輪和電機(jī)徑向應(yīng)力變化趨勢

4.2 摩擦系數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響

對于摩擦發(fā)射機(jī)構(gòu)來說，摩擦系數(shù)是一個非常重要的參數(shù)，摩擦系數(shù)越大，發(fā)射動力越足，但同時也會引起結(jié)構(gòu)受力的一些變化。在上述瞬態(tài)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，保持轉(zhuǎn)速和其他條件不變，完成摩擦系數(shù)分別為0.16, 0.18, 0.20, 0.22的仿真測試，得出不同摩擦系數(shù)下摩擦輪所受應(yīng)力的變換趨勢如圖9所示。

圖9 摩擦系數(shù)對最大應(yīng)力的影響

由圖9可以看出，轉(zhuǎn)速和其他因素不變的情況下，隨著摩擦系數(shù)增大，摩擦輪所受最大應(yīng)力值會隨之變大。

5 不穩(wěn)定振幅疲勞分析

疲勞是指材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的作用下在一處或者多處產(chǎn)生永久性積累損傷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或者發(fā)生完全斷裂的過程[15]。計算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)，使用把不規(guī)律應(yīng)力轉(zhuǎn)化為用于疲勞計算的雨流循環(huán)計數(shù)，通過Palmgren-Miner法則完成損傷累計。采用彈性假設(shè)和Miner累計損傷，利用ANSYS對機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析得出壽命云圖、安全系數(shù)云圖，仿真結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果表明，摩擦輪發(fā)射裝置最大能承受循環(huán)載荷1×106次，最先發(fā)生疲勞破壞的在固定底板的螺栓孔位置。通過安全系數(shù)云圖可得，摩擦輪安全系數(shù)最高為15，彈丸安全系數(shù)最低為0.262 13，彈頭由于受到彈丸帶來的較大沖擊載荷容易發(fā)生破壞。結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果可以得出，摩擦輪發(fā)射裝置的摩擦輪部分通過摩擦和擠壓為彈丸提供動力來源，達(dá)到預(yù)定的速度并按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動，同時也容易使電機(jī)與摩擦輪的連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，與此同時也會導(dǎo)致彈頭受到?jīng)_擊載荷影響，降低了彈頭的使用安全系數(shù)。因此，使用時應(yīng)當(dāng)增加彈頭厚度，采用更優(yōu)化的連接設(shè)計，增加摩擦輪發(fā)射裝置的使用壽命。

圖10 疲勞分析云圖

6 結(jié)束語

1)通過對摩擦輪發(fā)射裝置的模態(tài)分析，得到前6階振型云圖。根據(jù)仿真結(jié)果分析，最大振型量出現(xiàn)在1 456.6 Ηz附近，說明摩擦輪發(fā)射裝置在此激勵頻率附近發(fā)生共振的可能性較大。

2）通過對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到在1 520 Ηz頻率時，摩擦輪發(fā)射裝置的變形量和應(yīng)力達(dá)到最大值，同時通過選定節(jié)點(diǎn)獲取位移-加速度-頻率曲線，進(jìn)一步確定了模態(tài)分析在第5階模態(tài)固有頻率時容易產(chǎn)生共振，因此在使用該裝置時應(yīng)當(dāng)盡量避免動力頻率在此頻率附近。

3）通過對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到瞬態(tài)動力學(xué)變形、應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖。從這些圖樣得出最大應(yīng)變出現(xiàn)在電機(jī)與摩擦輪接觸部分，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)在這個位置增大倒角半徑或者消除加工表面刀痕，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免由應(yīng)力集中而應(yīng)力的斷裂和零件失效。

4）通過比對分析得出，轉(zhuǎn)速和其他因素不變的情況下，隨著摩擦系數(shù)增大，摩擦輪所受最大應(yīng)力值會隨之變大。

5）依據(jù)“雨流計數(shù)法”和“Miner線性疲勞積累損傷”理論，對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行疲勞壽命分析，得到摩擦輪發(fā)射裝置的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖，結(jié)果表明摩擦輪發(fā)射裝置在循環(huán)載荷的作用下承受1×106次后發(fā)生疲勞破壞。分析表明摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)的彈頭受彈丸的沖擊載荷，使用過程中安全系數(shù)降低。結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析，進(jìn)一步為摩擦輪發(fā)射裝置安全穩(wěn)定的使用提供了理論支撐。

綜上分析，為了提高摩擦輪發(fā)射裝置的可靠性和工作穩(wěn)定性，降低摩擦輪發(fā)射裝置的失效概率，本文在設(shè)計和使用過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮不確定性載荷和負(fù)載載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，利用ANSYS軟件對摩擦輪發(fā)射裝置進(jìn)行模擬仿真分析，得到摩擦輪發(fā)射裝置的應(yīng)力分布和受力狀態(tài)，為后續(xù)使用者和設(shè)計者的使用、優(yōu)化設(shè)計、尺寸參數(shù)的調(diào)整，摩擦系數(shù)的選擇、受載能力的優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。