基于ANSYS的撬毛機器人臂架運動及剛?cè)狁詈蠌姸确治?/h1>
2021-03-22 18:18王鋒王凱顏武剛
河南科技 2021年25期 關(guān)鍵詞：機器人
王鋒 王凱 顏武剛
摘 要：目前，人工撬毛存在一定的安全風(fēng)險。本文通過前期對中小型礦山采場爆破后頂板的情況進行分析，研究出一款專門針對中小型礦山的小型撬毛機器人。撬毛臂架作為小型撬毛機器人的核心結(jié)構(gòu)件，整體強度直接影響撬毛機器人能否正常使用。通過ANSYS對撬毛臂架進行整體力學(xué)分析，了解結(jié)構(gòu)設(shè)計上的薄弱位置，從而更好地優(yōu)化撬毛機器人。
關(guān)鍵詞：撬毛;機器人;ANSYS
中圖分類號：TD401;TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0024-03
Analysis of the Movement and Rigid-Flexible Coupling Strength of the Arm of a Crow Robot Based on ANSYS
WANG Feng WANG Kai YAN Wugang
（Hunan Chuangyuan High-tech Machinery Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410205）
Abstract： At present， there is a certain safety risk in manual crushing. Through analyzing the situation of the roof after blasting in the mine stope in the early stage， this paper has developed a kind of miniaturized crushing robot which is specially used in small and medium-sized mines， as the core structural component， the strength of the whole structure directly affects whether the crushing robot can be used normally or not. Through the whole mechanics analysis of ANSYS， the weak position of the structure design can be known， to better optimize the crushing robot.
Keywords： crushing;robot;ANSYS
隨著礦山行業(yè)配套軟硬件的發(fā)展，機械化采礦技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前大中型礦山采用機械化的撬毛臺車進行撬毛作業(yè)，在提高生產(chǎn)效率的同時，大大降低了人工作業(yè)的勞動強度和安全風(fēng)險。然而，機械化應(yīng)用在國內(nèi)中小型礦山的推進速度依然很慢，目前大多數(shù)中小型礦山仍然依靠人工進行撬毛作業(yè)，冒頂事故時有發(fā)生，存在極大的安全隱患。本文主要針對中小型礦山撬毛機器人開展相關(guān)研究[1-2]。
1 整機介紹
撬毛機器人主要由行走底盤、臂架總成、工作裝置總成、上車平臺總成（包含電機泵組總成、覆蓋件總成、液壓油箱、電纜卷筒及電控柜回轉(zhuǎn)減速機等）、液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成。
撬毛機器人的主要技術(shù)特點：①模塊化設(shè)計，拆裝、運輸及維修方便;②作業(yè)范圍廣，超長靈活的臂架系統(tǒng)，可以對爆破后的頂板及側(cè)幫浮石進行撬毛;③采用履帶底盤行走系統(tǒng)，地面適應(yīng)性好，通過性強，維護成本低，操作簡單;④整體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，適合在采場內(nèi)的狹小空間作業(yè);⑤遠程可視化遙控作業(yè)，可自行至采場任何位置，作業(yè)效率高，施工成本低，安全風(fēng)險小。
2 臂架介紹
2.1 臂架構(gòu)成
撬毛機器人的工作臂架通過平臺與下車履帶底盤連接在一起，具備撬毛破碎及鏟斗平場功能。該工作臂架結(jié)構(gòu)主要由大臂、中臂、小臂、左右搖桿、連桿、破碎錘、鏟斗、鉸點連接銷軸及工作油缸組成，通過工作油缸的伸縮實現(xiàn)不同作業(yè)區(qū)域的調(diào)節(jié)。撬毛作業(yè)通過液壓破碎錘前段釬桿的打擊完成破碎工作，依靠鏟斗完成爆破后采場內(nèi)場地的平場工作。工作臂架的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
2.2 臂架性能參數(shù)
撬毛機器人臂架作業(yè)范圍如表1所示。
3 臂架剛體運動分析
撬毛機器人設(shè)計性能參數(shù)中著重考慮的一點是撬毛作業(yè)區(qū)域的大小，通過工作臂架的伸展與收縮來捕捉不同作業(yè)點。通過ANSYS分析軟件中的剛體動力學(xué)分析模塊，可以近似得到撬毛工作臂架在展開運動過程中各零部件的運動參數(shù)變化情況，包括運動位移軌跡、速度、加速度以及鉸點接觸處的支反力大小。通過分析這些運動參數(shù)的變化特點提取需求目標值，可以為后續(xù)臂架結(jié)構(gòu)、工作油缸以及整機操控設(shè)計的優(yōu)化提供一定的參考[3]。
選取臂架正常作業(yè)時展開與收縮的工況進行分析（見表2），并提取了破碎錘端部的運動位移和軌跡，以及上平臺上前、后鉸點處的支反力變化曲線。
分析時間步設(shè)置為75步，除鏟斗油缸保持不動外，其他工作油缸均完成一次伸縮。
通過分析破碎錘端部位移坐標及運動軌跡圖，可以直觀地判斷撬毛工作臂架的作業(yè)范圍是否達到預(yù)期設(shè)計值要求，也可以依據(jù)運動軌跡圖判定調(diào)節(jié)油缸鉸點的布置位置，從而優(yōu)化設(shè)計獲得最佳的設(shè)計方案。
分析發(fā)現(xiàn)平臺上前、后鉸點支反力的峰值均出現(xiàn)在時間步長53.65 s左右，運動過程中支反力的方向和變化曲線[4-5]，分別如圖3和圖4所示，從分析結(jié)果中導(dǎo)出支反力的峰值，如表3所示。
4 臂架剛?cè)狁詈戏治?/p>
假設(shè)工作油缸為剛體，結(jié)構(gòu)上不發(fā)生任何變形，分析目的在于找到臂架焊接結(jié)構(gòu)上的薄弱點，故臂架焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)被視為可變性的柔性體。選取臂架全伸、破碎錘與地面保持垂直的工況進行分析。
通過SolidWorks完成撬毛機器人臂架的三維建模設(shè)計工作，通過SolidWorks與ANSYS之間的無縫連接接口將平臺的三維建模導(dǎo)入ANSYS中，并對結(jié)構(gòu)上受力影響不大的孔、倒角及螺栓等實體特征進行簡化。
4.1 邊界條件設(shè)置
臂架上各零部件之間的連接關(guān)系依據(jù)實際運動情況進行設(shè)置，工作液壓油缸安裝鉸點設(shè)置為轉(zhuǎn)動連接副，如圖5所示。銷軸與臂架之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2。工作臂架安裝在平臺上，平臺與底盤的安裝螺紋孔處設(shè)定為固定約束。
4.2 網(wǎng)格的劃分
由于臂架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，網(wǎng)格劃分時采用四面體實體網(wǎng)格對其進行劃分，網(wǎng)格節(jié)點個數(shù)為1 683 028，單元個數(shù)為932 935。
4.3 載荷的加載
由于結(jié)構(gòu)件自身具有一定的質(zhì)量，分析時需要考慮結(jié)構(gòu)件自身的重力載荷。由于破碎屬于高頻脈沖載荷，主要對結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生影響，因此此處靜強度分析不考慮該載荷。
4.4 結(jié)果讀取分析
通過分析主要結(jié)構(gòu)件應(yīng)力云圖的分布情況，可以預(yù)判臂架的整體結(jié)構(gòu)變形及主要零部件的應(yīng)力分布情況，并對危險點處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。通過云圖可以判定臂架整體結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求，局部出現(xiàn)應(yīng)力值較大的點，是由于前處理時對分析模型結(jié)構(gòu)倒角處進行簡化處理導(dǎo)致應(yīng)力集中，后期可以對這些部位進行倒角過渡處理以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。
5 結(jié)論
①運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛體動力學(xué)分析，獲得臂架的運動位移軌跡、速度、加速度及鉸點接觸處的支反力大小等各項參數(shù)，為后續(xù)臂架結(jié)構(gòu)、工作油缸及整機操控設(shè)計的優(yōu)化提供一定的參考。
②運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛?cè)狁詈戏治?，獲得臂架的整體剛度變化及主要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及減重降本提供參考。
③由于撬毛作業(yè)時臂架的受力工況復(fù)雜多變，且沒有特定規(guī)律可循，僅選取了其中某一個危險工況進行分析討論，因此在設(shè)計上仍需結(jié)合其他分析計算工具來建立臂架的數(shù)學(xué)模型，以獲取臂架在任意姿態(tài)下的受力情況，從而對臂架做更加系統(tǒng)的受力分析計算。
參考文獻：
[1]郭榮，周志鴻.地下液壓碎石車國內(nèi)外發(fā)展概況[J].鑿巖機械氣動工具，2014（1）：1-6.
[2]李云云，王明，康杰.液壓破碎錘在采礦中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013（4）：116-117.
[3]郭娜.輕型鑿巖機器人運動學(xué)及力學(xué)分析與仿真[D].沈陽：東北大學(xué)，2006：53.
[4]楊朋軍，靳長權(quán)，王佳民.慣性平臺臺體組件的有限元模態(tài)分析[J].機械與電子，2004（4）：15-18.
[5]周宏兵.基于ADAMS仿真技術(shù)的挖掘機鉸點受力分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報，2009（2）：71-74.
3194501908262
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王鋒 王凱 顏武剛
摘 要：目前，人工撬毛存在一定的安全風(fēng)險。本文通過前期對中小型礦山采場爆破后頂板的情況進行分析，研究出一款專門針對中小型礦山的小型撬毛機器人。撬毛臂架作為小型撬毛機器人的核心結(jié)構(gòu)件，整體強度直接影響撬毛機器人能否正常使用。通過ANSYS對撬毛臂架進行整體力學(xué)分析，了解結(jié)構(gòu)設(shè)計上的薄弱位置，從而更好地優(yōu)化撬毛機器人。
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中圖分類號：TD401;TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0024-03
Analysis of the Movement and Rigid-Flexible Coupling Strength of the Arm of a Crow Robot Based on ANSYS
WANG Feng WANG Kai YAN Wugang
（Hunan Chuangyuan High-tech Machinery Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410205）
Abstract： At present， there is a certain safety risk in manual crushing. Through analyzing the situation of the roof after blasting in the mine stope in the early stage， this paper has developed a kind of miniaturized crushing robot which is specially used in small and medium-sized mines， as the core structural component， the strength of the whole structure directly affects whether the crushing robot can be used normally or not. Through the whole mechanics analysis of ANSYS， the weak position of the structure design can be known， to better optimize the crushing robot.
Keywords： crushing;robot;ANSYS
隨著礦山行業(yè)配套軟硬件的發(fā)展，機械化采礦技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前大中型礦山采用機械化的撬毛臺車進行撬毛作業(yè)，在提高生產(chǎn)效率的同時，大大降低了人工作業(yè)的勞動強度和安全風(fēng)險。然而，機械化應(yīng)用在國內(nèi)中小型礦山的推進速度依然很慢，目前大多數(shù)中小型礦山仍然依靠人工進行撬毛作業(yè)，冒頂事故時有發(fā)生，存在極大的安全隱患。本文主要針對中小型礦山撬毛機器人開展相關(guān)研究[1-2]。
1 整機介紹
撬毛機器人主要由行走底盤、臂架總成、工作裝置總成、上車平臺總成（包含電機泵組總成、覆蓋件總成、液壓油箱、電纜卷筒及電控柜回轉(zhuǎn)減速機等）、液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成。
撬毛機器人的主要技術(shù)特點：①模塊化設(shè)計，拆裝、運輸及維修方便;②作業(yè)范圍廣，超長靈活的臂架系統(tǒng)，可以對爆破后的頂板及側(cè)幫浮石進行撬毛;③采用履帶底盤行走系統(tǒng)，地面適應(yīng)性好，通過性強，維護成本低，操作簡單;④整體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，適合在采場內(nèi)的狹小空間作業(yè);⑤遠程可視化遙控作業(yè)，可自行至采場任何位置，作業(yè)效率高，施工成本低，安全風(fēng)險小。
2 臂架介紹
2.1 臂架構(gòu)成
撬毛機器人的工作臂架通過平臺與下車履帶底盤連接在一起，具備撬毛破碎及鏟斗平場功能。該工作臂架結(jié)構(gòu)主要由大臂、中臂、小臂、左右搖桿、連桿、破碎錘、鏟斗、鉸點連接銷軸及工作油缸組成，通過工作油缸的伸縮實現(xiàn)不同作業(yè)區(qū)域的調(diào)節(jié)。撬毛作業(yè)通過液壓破碎錘前段釬桿的打擊完成破碎工作，依靠鏟斗完成爆破后采場內(nèi)場地的平場工作。工作臂架的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
2.2 臂架性能參數(shù)
撬毛機器人臂架作業(yè)范圍如表1所示。
3 臂架剛體運動分析
撬毛機器人設(shè)計性能參數(shù)中著重考慮的一點是撬毛作業(yè)區(qū)域的大小，通過工作臂架的伸展與收縮來捕捉不同作業(yè)點。通過ANSYS分析軟件中的剛體動力學(xué)分析模塊，可以近似得到撬毛工作臂架在展開運動過程中各零部件的運動參數(shù)變化情況，包括運動位移軌跡、速度、加速度以及鉸點接觸處的支反力大小。通過分析這些運動參數(shù)的變化特點提取需求目標值，可以為后續(xù)臂架結(jié)構(gòu)、工作油缸以及整機操控設(shè)計的優(yōu)化提供一定的參考[3]。
選取臂架正常作業(yè)時展開與收縮的工況進行分析（見表2），并提取了破碎錘端部的運動位移和軌跡，以及上平臺上前、后鉸點處的支反力變化曲線。
分析時間步設(shè)置為75步，除鏟斗油缸保持不動外，其他工作油缸均完成一次伸縮。
通過分析破碎錘端部位移坐標及運動軌跡圖，可以直觀地判斷撬毛工作臂架的作業(yè)范圍是否達到預(yù)期設(shè)計值要求，也可以依據(jù)運動軌跡圖判定調(diào)節(jié)油缸鉸點的布置位置，從而優(yōu)化設(shè)計獲得最佳的設(shè)計方案。
分析發(fā)現(xiàn)平臺上前、后鉸點支反力的峰值均出現(xiàn)在時間步長53.65 s左右，運動過程中支反力的方向和變化曲線[4-5]，分別如圖3和圖4所示，從分析結(jié)果中導(dǎo)出支反力的峰值，如表3所示。
4 臂架剛?cè)狁詈戏治?/p>
假設(shè)工作油缸為剛體，結(jié)構(gòu)上不發(fā)生任何變形，分析目的在于找到臂架焊接結(jié)構(gòu)上的薄弱點，故臂架焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)被視為可變性的柔性體。選取臂架全伸、破碎錘與地面保持垂直的工況進行分析。
通過SolidWorks完成撬毛機器人臂架的三維建模設(shè)計工作，通過SolidWorks與ANSYS之間的無縫連接接口將平臺的三維建模導(dǎo)入ANSYS中，并對結(jié)構(gòu)上受力影響不大的孔、倒角及螺栓等實體特征進行簡化。
4.1 邊界條件設(shè)置
臂架上各零部件之間的連接關(guān)系依據(jù)實際運動情況進行設(shè)置，工作液壓油缸安裝鉸點設(shè)置為轉(zhuǎn)動連接副，如圖5所示。銷軸與臂架之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2。工作臂架安裝在平臺上，平臺與底盤的安裝螺紋孔處設(shè)定為固定約束。
4.2 網(wǎng)格的劃分
由于臂架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，網(wǎng)格劃分時采用四面體實體網(wǎng)格對其進行劃分，網(wǎng)格節(jié)點個數(shù)為1 683 028，單元個數(shù)為932 935。
4.3 載荷的加載
由于結(jié)構(gòu)件自身具有一定的質(zhì)量，分析時需要考慮結(jié)構(gòu)件自身的重力載荷。由于破碎屬于高頻脈沖載荷，主要對結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生影響，因此此處靜強度分析不考慮該載荷。
4.4 結(jié)果讀取分析
通過分析主要結(jié)構(gòu)件應(yīng)力云圖的分布情況，可以預(yù)判臂架的整體結(jié)構(gòu)變形及主要零部件的應(yīng)力分布情況，并對危險點處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。通過云圖可以判定臂架整體結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求，局部出現(xiàn)應(yīng)力值較大的點，是由于前處理時對分析模型結(jié)構(gòu)倒角處進行簡化處理導(dǎo)致應(yīng)力集中，后期可以對這些部位進行倒角過渡處理以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。
5 結(jié)論
①運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛體動力學(xué)分析，獲得臂架的運動位移軌跡、速度、加速度及鉸點接觸處的支反力大小等各項參數(shù)，為后續(xù)臂架結(jié)構(gòu)、工作油缸及整機操控設(shè)計的優(yōu)化提供一定的參考。
②運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛?cè)狁詈戏治?，獲得臂架的整體剛度變化及主要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及減重降本提供參考。
③由于撬毛作業(yè)時臂架的受力工況復(fù)雜多變，且沒有特定規(guī)律可循，僅選取了其中某一個危險工況進行分析討論，因此在設(shè)計上仍需結(jié)合其他分析計算工具來建立臂架的數(shù)學(xué)模型，以獲取臂架在任意姿態(tài)下的受力情況，從而對臂架做更加系統(tǒng)的受力分析計算。
參考文獻：
[1]郭榮，周志鴻.地下液壓碎石車國內(nèi)外發(fā)展概況[J].鑿巖機械氣動工具，2014（1）：1-6.
[2]李云云，王明，康杰.液壓破碎錘在采礦中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013（4）：116-117.
[3]郭娜.輕型鑿巖機器人運動學(xué)及力學(xué)分析與仿真[D].沈陽：東北大學(xué)，2006：53.
[4]楊朋軍，靳長權(quán)，王佳民.慣性平臺臺體組件的有限元模態(tài)分析[J].機械與電子，2004（4）：15-18.
[5]周宏兵.基于ADAMS仿真技術(shù)的挖掘機鉸點受力分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報，2009（2）：71-74.
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