張俊勇

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 數(shù)控工程學院，陜西 西安 710300)

?

一種機械手底座的結構改進與模態(tài)分析

張俊勇

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 數(shù)控工程學院，陜西 西安 710300)

摘要：設計了一種機械手結構，并針對其底座結構在長期頻繁的使用中產生的磨損比較嚴重的問題進行了改進。通過增加支承結構，改變了底座和工作臺的接觸方式，從而有效地提高了其接觸強度，增加了其結構剛度，減小了摩擦面積。結合ANSYS Workbench 14.0軟件對該支承結構進行模態(tài)分析得出，在固有頻率為290.13 Hz條件下應力和變形最大，應盡量避免在使用過程中承載載荷頻率過低。為該結構的進一步調整和使用打下了基礎。

關鍵詞：機械手；結構改進；模態(tài)分析；ANSYS

隨著工業(yè)生產逐漸朝著自動化、智能化和集成化方向發(fā)展，機械手的應用也逐漸廣泛，特別在精密鑄造、焊接、裝配和搬運等場合已經逐漸常態(tài)化，其控制過程簡單、生產效率高、加工精度高和生產成本低的優(yōu)點，使得其在制造業(yè)領域占據了十分重要的地位，成為在國民經濟中不可或缺的一環(huán)?！吨袊圃?025》將高檔數(shù)控機床和機器人作為重要發(fā)展的領域[1]。

本文設計了一種機械手結構，在裝配和使用的過程中表現(xiàn)良好，但是由于其底座結構處于機械臂回轉結構中，在長期頻繁的使用中產生的磨損比較嚴重，經過了多次潤滑改造、密封改造以及更換材料后仍然會出現(xiàn)磨損的情況。為了改變這種情況，筆者從結構改進下手，增加支承結構，改變底座和工作臺的直接接觸，從而有效地提高了其接觸強度，增加了其結構剛度，減小了摩擦面積，并結合ANSYS Workbench 14.0軟件對其進行了模態(tài)分析，找出了應力和變形的最大位置，為該結構的進一步調整和使用打下了基礎[2]。

1機械手結構設計

本文應用軟件SolidWorks 2012對機械手進行三維實體建模，其結構如圖1所示，共有6個自由度，可以完成任意位置的零件抓舉、搬運，經過進一步改造后，還可以完成焊接、表面噴涂等加工工藝過程，具有良好的可操作性。其周向回轉、第1關節(jié)處軸向擺動和整體結構支承全部依靠底座來完成，底座結構如圖2所示。從圖2中可以看出，整個機械手的質量全部由該底座承擔，同時還要保證機械手在圓周方向的運動和第1關節(jié)處的軸向擺動，所以其磨損量是整個設備中最大的，通過多種方式的改進仍然無法改變其易磨損狀態(tài)，如增加潤滑裝置，改用合金鋼材料，改變密封環(huán)結構等多種措施，始終效果有限[3]。

圖1　機械手三維模型

圖2　機械手底座結構

2底座改進過程分析

若要減小其磨損應明確其成因，具體原因有如下幾點：1)機械手整體結構過重，而該底座是整個設備的承壓件，所以相當于增加了底座與工作臺的接觸應力；2)整個設備的周向運動即圓周方向的運動全部由該底座完成，同時其第1關節(jié)處的軸向運動也需要該底座來完成，頻繁運動造成的結果也容易使其磨損；3)該底座兩側的耳板均為焊接結構，其結構剛度有限，所以這就限制了其材料的選擇，應選擇可焊性好的中碳鋼或低合金鋼材料，但這些材料的耐磨性較差；4)將原有的橡膠密封圈換成塑料材質密封圈，其密封性和使用效果均無法得到保證。

考慮在原有結構基礎上增加1個支承座，改變其原來的接觸狀態(tài)，這樣就可以在不改變其底座各項參數(shù)(包括外形結構、材料和尺寸等)的前提下，獲得較好效果。支承座結構如圖3所示[4]。通過加裝支承座后，底座懸空，這樣就可以減小底座與工作臺的接觸應力，減少底面摩擦；機械手的周向運動由原來的底座單一完成變成底座與支承座共同完成，也同樣減少了底座內孔的磨損。為了驗證其狀態(tài)，筆者通過ANSYS軟件進行分析來進一步驗證[5]。

圖3　支承座結構圖

3支承座模態(tài)分析

3.1數(shù)據導入與模態(tài)分析

要求底面4個端面固定在卡槽中，上表面施加載荷幅值Fx=1 000 N，F(xiàn)y=5 000 N，F(xiàn)z=1 000 N，相位角φ=0°，應用SolidWorks軟件構建三維模型，并導入到ANSYS軟件中進行模態(tài)分析，導入過程如圖4所示。進行模態(tài)分析得到其固有頻率后，再進行諧響應分析找到共振點，明確共振頻率下的應力和位移[6]。經過分析后，得出了六階固有頻率(見表1)。

圖4　創(chuàng)建模態(tài)分析和諧響應分析模塊

模型階數(shù)123456固有頻率123.65290.13384.29472.85547.28745.69

3.2共振點頻率與分析

圖5　頻率與變形關系

在Environment-Loads-Force模塊下輸入X=Z=1 000 N，Y=5 000 N，定位方向選擇Y方向。選擇該結構中上表面作為求解項，得出諧響應分析結果如圖5所示[7]。由圖5可以看出，Y方向有2個諧振頻率，1階諧振頻率為290.13 Hz，2階諧振頻率為574.28 Hz。這說明在固有頻率290.13 Hz和574.28 Hz時幅頻數(shù)值較大，易引起共振，特別是在290.13 Hz時變形最大。下述將進一步分析290.13 Hz時的應力和變形。

3.3應力與變形

在“Total Deformation”中輸入290.13，即可得出在290.13 Hz狀態(tài)下的應力和變形數(shù)據。等效應力云圖和變形云圖[8]分別如圖6和圖7所示。

圖6　等效應力云圖

圖7　變形云圖

由圖6和圖7可以看出，低階振型對穩(wěn)定性有決定作用，所以應盡量避免在使用過程中承載載荷頻率過低造成的變形、斷裂、扭曲和磨損。

4結語

本文利用ANSYS Workbench軟件對支承座進行了模態(tài)分析，并在模態(tài)分析的基礎上進行了諧響應分析，找出了共振點，這為后期的裝配使用提供了理論數(shù)據，后期將結合實際工況進行物理驗證。

參考文獻

[1] 田大龍，張保成，李瑰，等.基于ABAQUS的液壓支架底座尺寸優(yōu)化設計[J].煤礦機械，2015，36(5)：13-15.

[2] 劉水平，楊壽智. 基于PLC與步進電機的教學型機械手系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用，2014(4)：103-106.

[3] 劉江.ANSYS Workbench 14.5機械仿真實例講解[M].北京：機械工業(yè)出版社,2015.

[4] Duk-jin K, Moon W M, Moller D, et al. Measurments of oceansurface waves and currents using L-and C-band along-track interferometric SAR[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing(S0196-2892), 2003, 41(12):2821-2832.

[5] Romeiser R. Current measurements by airborne along-track InSAR:measuring technique and experimental results[J]. IEEE Trans. Geosci.Remote Sensing (S0196-2892), 2005, 30(3):552-569.

[6] 國思茗，李乃川，孫晶，等.遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[J].自動化技術與應用，2013(11)：28-33.

[7] 荊忠亮，趙彤涌，宋志強.基于SolidWorks和Ansys Workbench的液壓支架頂梁負載仿真分析[J].煤礦機械，2015，36(5)：240-242.

[8] 童珍容，楊波，何繼釧，等.基于ANSYSWorkbench加油泵的殼體應力分析[J].新技術新工藝，2014(8)：89-90.

責任編輯鄭練

The Improvement and Model Analysis based on the Structure of Manipulator Base

ZHANG Junyong

(Shaanxi Institute of Technology, Xi’an 710300, China)

Abstract：Design a manipulator structure, and its base structure in long-term frequent use of more serious wear and tear is improved. Through increasing the support structure, change the base and the workbench's contact way, so as to effectively improve the contact strength, increase the structure rigidity, reduce the friction area. Combined with ANSYS Workbench 14.0 software on the modal analysis, find out the stress and deformation of the largest position for further adjustment of the structure and the use of the foundation.

Key words:manipulator, the improved structure, the modal analysis, ANSYS

中圖分類號：TP 23

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：張俊勇(1975-)，男，碩士，副教授，主要從事機電一體化技術及教學等方面的研究。