李家應(yīng)，朱龍英，陸寶發(fā)

（1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，鹽城 224001）

機器人技術(shù)

去毛刺機器人的應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計

李家應(yīng)1，朱龍英2，陸寶發(fā)1

（1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，鹽城 224001）

以去毛刺機器人為研究對象，定性的對其進行靜力分析其結(jié)果在允許范圍內(nèi)。然后利用三維軟件Pro/E對去毛刺機器人進行建立模型，再導(dǎo)入ADAMS運動仿真分析軟件中。對其整體和各個關(guān)節(jié)分別進行應(yīng)力分析以確定待優(yōu)化位置，并根據(jù)分析結(jié)果對其提出相應(yīng)優(yōu)化方法。最后優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)機器人提高了剛度和強度還進一步減輕質(zhì)量，達到了輕量化目的。

機器人；應(yīng)力分析；輕量化

0　引言

現(xiàn)在工業(yè)機器人已發(fā)展成為一個龐大的家族，被譽為工業(yè)自動化領(lǐng)域的支柱，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域。大部分工業(yè)機器人由本體機構(gòu)，控制、驅(qū)動及反饋系統(tǒng)等幾個部分組成。去毛刺機器人具有高精度、高效率、對工作環(huán)境要求低、加工空間復(fù)雜、降低報廢率、可長時間工作等優(yōu)點，因而近年來成為去毛刺領(lǐng)域的熱點。它在工作過程中腰部、大臂和肘部是承受彎曲應(yīng)力的主要部位，因此在設(shè)計過程中必須保證其強度。本文利用Pro/E進行建模然后導(dǎo)進ADAMS中，進行運動仿真分析，并找到最大應(yīng)力點出現(xiàn)時刻，以檢驗機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，并為各部件的結(jié)構(gòu)改進提供依據(jù)。

1　去毛刺機器人模型的建立

機器人本體由手臂、手腕、末端執(zhí)行器等機構(gòu)組成。其中手臂關(guān)節(jié)為定位機構(gòu)，用來改變手腕參考點的位置。本文將去毛刺機器人設(shè)計成六自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)型機器人，主要由四個部件組成：底座、腰部、臂部和手腕，圖1為所設(shè)計的去毛刺機器人本體支撐結(jié)構(gòu)原理圖。利用Pro/E軟件建立去毛刺機器人的三維模型，如圖2所示。再通過Pro/E接口導(dǎo)進ADAMS中，添加約束和驅(qū)動，進行仿真分析。

圖1　去毛刺機器人總體構(gòu)型

圖2　去毛刺機器人模型

2　應(yīng)力分析

2.1靜力分析

以去毛刺機器人受載最危險的一種情況為例，對腰部的應(yīng)力進行分析，如圖3所示，其中G1為末端刀具重量，G2為腕部重量，G3為小臂重量，G4為大臂重量，G5為腰部自身重量。腰部受載模型如圖4所示，將去毛刺機器人各部分的載荷等價到腰部，形成軸向力F和力矩M。

圖3　機器人受載模型

由圖4可以看出腰部受軸向壓縮和彎曲力矩，所以腰部所受應(yīng)力為彎曲和壓縮的組合應(yīng)力，由材料力學(xué)的知識可得應(yīng)力計算公式：

圖4　腰部受載模型

式中WZ為彎曲截面系數(shù)。其中末端刀具的重量相對于整機可以忽略不計，得到：

其中L1=540mm，L2=650mm，L3=610mm，L4=610mm，d=180mm，G2=30.32N，G3=65.77N，G4=70.34N，G5=127N，求得F=293.44N，n=127.13N?M， Wz=5.71×10-4m3，最后求得遠小于材料的屈服強度。

2.2動態(tài)有限元分析

利用ADAMS中的Durability單元進行動態(tài)有限元分析，可以得到柔性體任一時刻的應(yīng)力狀況。接下來即調(diào)用ADAMS中的Durability模塊對去毛刺機器人進行應(yīng)力分析，觀察整個仿真過程，圖5為整機的應(yīng)力分布圖，由圖可知整機的最大應(yīng)力為76.45Mpa，接下來需要進一步了解具體是哪個部分的應(yīng)力最大。

圖5　機器人整機應(yīng)力分布圖

圖6為腰部的應(yīng)力分布圖，可以看出腰部的最大應(yīng)力為76.45MPa，即為整機的最大應(yīng)力，應(yīng)力分布較為集中的地方為關(guān)節(jié)2的左下方，且最大應(yīng)力分布于腰部豎直平面與水平平面的的連接處。圖7為大臂的應(yīng)力分布圖，由圖可知大臂的最大應(yīng)力為29.54MPa，且可以看出大臂下部肩關(guān)節(jié)及其附近的應(yīng)力明顯高于上部肘關(guān)節(jié)及其附近的應(yīng)力，這也正好符合去毛刺機器人在現(xiàn)實工作中肩關(guān)節(jié)承受較大的載荷和力矩的情況。圖8為肘部的應(yīng)力分布圖，由圖可知肘部的最大應(yīng)力為11.18MPa，應(yīng)力較為集中的是肘部與橫擺關(guān)節(jié)的連接處及其形狀突變的區(qū)域，并且肘關(guān)節(jié)右下方及肘部水平部位的下方所受應(yīng)力較小，幾乎為零。且大臂與肘部連接處有一節(jié)點應(yīng)力突變，與周邊其他節(jié)點的應(yīng)力差別較大。由應(yīng)力分布圖可知腰部應(yīng)力最大，其次為大臂，最小為肘部。

圖6　腰部的應(yīng)力分布圖

圖7　大臂的應(yīng)力分布圖

圖8　肘部應(yīng)力分布圖

2.3各個部位應(yīng)力隨時間的變化曲線圖

為了進一步了解腰部、大臂和肘部在去毛刺工作過程中應(yīng)力出現(xiàn)的最大時刻，就必須要得到各部件應(yīng)力隨時間的變化曲線圖。利用ADAMS中的Durability模塊，可以查看應(yīng)力點隨時間的變化曲線圖。表1為腰部在工作過程中應(yīng)力值最大的6個節(jié)點，由表1可以看出編號為286，坐標(biāo)為（40.0277，285，-114.835）的節(jié)點在0.225s時的應(yīng)力最大，為76.4453MPa，同理可得出其余5節(jié)點的應(yīng)力信息，從最大應(yīng)力節(jié)點分布的時間來看，在0.2s～0.3s內(nèi)去毛刺機器人工作時的應(yīng)力較大。同理可得出大臂在工作過程中應(yīng)力值最大的6個節(jié)點，如表2所示，肘部在工作過程中應(yīng)力最大的6個節(jié)點，如表3所示。

表1　腰部最大應(yīng)力節(jié)點分布

表2　大臂最大應(yīng)力節(jié)點分布

表3　小臂最大應(yīng)力節(jié)點分布

安全系數(shù)S取1.4，根據(jù)下面式可以計算得到各部件的許用應(yīng)力為253.6MPa、325MPa、196.4MPa，可以看出腰部及臂部的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求，但可進一步優(yōu)化，達到輕量化、高強度、高剛度的目的。

由表可知腰部中的節(jié)點應(yīng)力最大，同時也驗證了應(yīng)力分析的正確性。在菜單欄Durability下選擇節(jié)點圖選項，在Flexible Body中輸入柔性體名稱，在選擇節(jié)點列表輸入框中輸入節(jié)點編號286，275，285，274，選擇應(yīng)力選項，如圖9所示。

圖9　Nodal Plot對話框

進入ADAMS后處理繪制曲線模塊（Plotting），繪制出腰部柔性體中對應(yīng)編號節(jié)點的應(yīng)力變化曲線，如圖10所示。同理，繪制出大臂、肘部對應(yīng)節(jié)點應(yīng)力隨時間的變化曲線，如圖11、圖12所示。

由繪制出的曲線圖可知腰部、大臂及肘部在0s～1s內(nèi)應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)力也都出現(xiàn)在該時間段，這是由于去毛刺機器人在啟動時振動所造成的，由此可見振動對機器人的工作壽命，工作精度等有直接的影響。腰部在開始工作時振動明顯，最大應(yīng)力為76.4453MPa，當(dāng)運行平穩(wěn)時，所受最大應(yīng)力約為3.6MPa，遠小于材料的屈服極限應(yīng)力。大臂在開始工作時振動的最大應(yīng)力為29.5376MPa，運行平穩(wěn)時最大應(yīng)力大約為0.75MPa。由圖12可知小臂編號為192的節(jié)點應(yīng)力值較其余節(jié)點的應(yīng)力值相差較大，故該點即為小臂應(yīng)力分布圖中應(yīng)力突變的點，該點在小臂開始工作時的振動最大應(yīng)力為11.1794MPa，運行平穩(wěn)時的應(yīng)力約為1.58MPa，其余節(jié)點平穩(wěn)工作時的最大應(yīng)力為0.31MPa，小于材料許用應(yīng)力。下面將針對各部件應(yīng)力分析中存在的不合理現(xiàn)象進行優(yōu)化。

圖10　腰部對應(yīng)節(jié)點應(yīng)力變化曲線

圖11　大臂對應(yīng)節(jié)點應(yīng)力變化曲線

圖12　肘部對應(yīng)節(jié)點應(yīng)力變化曲線

3　優(yōu)化設(shè)計

針對腰關(guān)節(jié)下方應(yīng)力集中，并且在連接處應(yīng)力較大的分布情況，將腰關(guān)節(jié)下方逐步增厚，角度為10°，同時在連接處改直角連接為半徑較大的圓弧連接，圓弧半徑為8mm，如圖13所示。針對大臂肩關(guān)節(jié)處應(yīng)力較大，而肘關(guān)節(jié)應(yīng)力較小的情況，根據(jù)大臂結(jié)構(gòu)特點，將肘關(guān)節(jié)的半徑適當(dāng)減小，由原來的50mm減小為42mm，肩關(guān)節(jié)的半徑適當(dāng)加大由原來的50mm增大為現(xiàn)在的56mm，設(shè)計成上窄下寬形，既能滿足強度要求，也能達到輕量化的目的，這種設(shè)計還有一個明顯的優(yōu)點是大臂的重心將下降，有助于減小大臂對肩關(guān)節(jié)驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩，改善整機的振動情況，并且在背面設(shè)置加強筋，加強筋的角度為28°，加強筋與大臂背面的連接處采用半徑為4mm的圓弧連接，以增加剛度和強度，如圖14所示。針對肘部中應(yīng)力突變的點，應(yīng)在此處設(shè)計凹切圓角，減少應(yīng)力集中，并且在形狀突變的部位改用半徑為12mm的圓弧代替。針對肘關(guān)節(jié)右下方應(yīng)力較小，幾乎為零的情況，說明此處材料有所多余，應(yīng)切除多余材料，水平方向切除長度為63mm，垂直方向切除長度為37mm，肘部水平部位的下方應(yīng)力較小，應(yīng)減小厚度7mm，如圖15所示。由計算可得優(yōu)化后整機的質(zhì)量降低了約2.4kg，約占整機的2.21%，滿足輕量化的目的，并進一步改善了整機的振動情況。

圖13　腰部優(yōu)化

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圖14　大臂優(yōu)化

圖15　肘部優(yōu)化

4　結(jié)論

1）運用Pro/E三維軟件建立去毛刺機器人的虛擬樣機，通過Mech/Pro接口將三維模型導(dǎo)進ADAMS中，對腰部、大臂和肘部在運動過程中的應(yīng)力情況進行了分析并針對應(yīng)力分析結(jié)果，得到最大應(yīng)力及變形部位在腰部。

2）對本體結(jié)構(gòu)進一步進行優(yōu)化，以增加剛度和強度，進一步減輕質(zhì)量，達到輕量化的目的，減少手臂部分對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。

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The stress analysis and optimum design of robot deburring

LI Jia-ying1, ZHU Long-ying2, LU Bao-fa1

TP242.2

A

1009-0134(2016)02-0058-06

2015-10-11

李家應(yīng)（1987 -），男，安徽人，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計與制造。