李忠興

(攀鋼礦業(yè)有限公司， 四川 攀枝花市 617011)

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)礦業(yè)政策大力支持智慧礦山建設(shè)，促使礦業(yè)急需運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)提升智能化水平，而將機(jī)器人運(yùn)用到鐵礦開采設(shè)備中是鐵礦山智能化升級(jí)的必要措施。礦用機(jī)器人按應(yīng)用崗位設(shè)定為掘進(jìn)、采礦、救援、安控、運(yùn)輸5類，共計(jì)38種[1]。其中選廢機(jī)械臂受到了眾多研究人員的關(guān)注，其通過(guò)傳感器對(duì)礦物進(jìn)行識(shí)別、空間定位，然后通過(guò)末端抓取機(jī)構(gòu)完成礦石分離工作[2]。

同忻礦與中煤科工科研人員共同研發(fā)了一種機(jī)械臂與識(shí)別系統(tǒng)相互配合完成超重廢石分揀工作的“智能煤矸分選機(jī)器人”，現(xiàn)已正式投入大塊廢石分選作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)入應(yīng)用調(diào)試階段。某礦業(yè)公司廢石挑選機(jī)器人通過(guò)圖像識(shí)別、智能控制等系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器手分揀抓取廢石作業(yè)，每小時(shí)可達(dá)1200次，能夠處理80～400 mm大小廢石。廢石識(shí)別分選率可達(dá)95%，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)實(shí)現(xiàn)超大廢石處理。某鐵礦的振動(dòng)篩在2019年安裝試用6R機(jī)械臂，在識(shí)別系統(tǒng)的配合下能夠抓取0.3～1 m的大塊廢石，持重達(dá) 250 kg，基本識(shí)別率可以達(dá)到 95%～98%，如圖1所示。

圖1 某鐵礦使用的6R機(jī)械臂

在作業(yè)過(guò)程中，機(jī)械臂各結(jié)構(gòu)的變形會(huì)影響其礦廢分離工作的精度，其材料的應(yīng)力分布狀況也會(huì)影響機(jī)械臂使用的安全性[3-5]。通過(guò)礦用錨桿鉆機(jī)的機(jī)械臂進(jìn)行關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度都滿足工作要求，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。對(duì)礦用焊接機(jī)器人的大臂進(jìn)行了靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其靜態(tài)強(qiáng)度是足夠的，為其后續(xù)的研究提供了參考[6]。另外，針對(duì)礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的轉(zhuǎn)臺(tái)支座進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力分布圖，并在應(yīng)力分布圖的基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[7]。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的6R機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)在作業(yè)時(shí)的安全可靠性和為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，將通過(guò)三維軟件SolidWorks完成6R機(jī)械臂的三維建模，并賦予材料特性計(jì)算各個(gè)部件的質(zhì)量；將機(jī)械臂的三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行2種極限姿態(tài)下的靜力學(xué)仿真，得到各零部件的應(yīng)力分布情況和結(jié)構(gòu)變形程度。

1 6R機(jī)械臂三維模型

所設(shè)計(jì)的6R機(jī)械臂主要由底座、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等主要部分組成，各個(gè)組件通過(guò)旋轉(zhuǎn)副連接，工作時(shí)由定位系統(tǒng)對(duì)廢石進(jìn)行定位，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置進(jìn)行分離廢石作業(yè)，其中，6R機(jī)械臂采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并將伺服電機(jī)及相關(guān)線路放置于機(jī)械臂內(nèi)部，以提高空間利用率。通過(guò)使用CAD軟件SolidWorks建立6R機(jī)械臂三維模型，為方便分析將其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行省略，如圖2所示。圖2所示模型是實(shí)際模型的簡(jiǎn)化，將各部分的螺栓孔、不規(guī)則曲面進(jìn)行相應(yīng)處理，以減少有限元分析中的誤差以及計(jì)算量。

圖2 6R機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)組成

2 6R機(jī)械臂的靜力學(xué)分析

2.1 建立有限元模型

ANSYS workbench中常用的有限元模型建立方法有：Design Modeler三維實(shí)體建模、Workbench與 CAD中間格式轉(zhuǎn)換、第三方軟件與 Workbench接口關(guān)聯(lián)。由于已經(jīng)使用SolidWorks建立了6R機(jī)械臂的三維模型，因此本節(jié)采用 SolidWorks與Workbench接口關(guān)聯(lián)的方法對(duì)6R機(jī)械臂進(jìn)行有限元模型的建立與分析[8-11]。為了方便分析，只針對(duì)6R機(jī)械臂在水平和豎直 2種極限姿態(tài)下的靜力學(xué)進(jìn)行分析，只需保證在這2種姿態(tài)下的應(yīng)力和變形分布合理，則其他姿態(tài)應(yīng)力和變形分布也合理。

首先將建立的6R機(jī)械臂三維模型在SolidWorks另存為格式*.x_t，導(dǎo)入 ANSYS workbench中的Static Structural模塊，對(duì)其材料按照表1中的參數(shù)進(jìn)行定義；其次對(duì)其三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，所劃分網(wǎng)格的優(yōu)劣性決定所得應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果的精確性，將網(wǎng)格類型設(shè)置為 Tetrahedrons四面體網(wǎng)格，Element Size單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為25 mm，得到在水平姿態(tài)下網(wǎng)格模型中的Nodes和Elements的參數(shù)分別為48 876，28 817，在豎直姿態(tài)下的網(wǎng)格模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為35 281，18 725，劃分好的網(wǎng)格模型如圖3所示。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，網(wǎng)格質(zhì)量良好。最后按照工作環(huán)境條件對(duì)模型設(shè)定載荷和位移邊界條件，在機(jī)械臂末端設(shè)置500 N豎直向下的力。

表1 結(jié)構(gòu)鋼材料特性

圖3 6R機(jī)械臂兩種姿態(tài)網(wǎng)格劃分

2.2 水平姿態(tài)下的靜力學(xué)分析

在進(jìn)行機(jī)械臂水平姿態(tài)下的靜力學(xué)分析時(shí)，由于機(jī)械臂組成部件的質(zhì)量和所在位置不同，其作業(yè)時(shí)各部件的受力效果也不同。在機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置500 N的載荷，在所受負(fù)載和自身組成部件的重力作用下，得到變形分布情況（見圖4）和應(yīng)力分布情況（見圖5）。從圖4可以看出，水平姿態(tài)下的機(jī)械臂在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)處發(fā)生最大變形，變形量是0.43 881 mm，并且變形量沿著機(jī)械臂呈遞減趨勢(shì)，直至在底座和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處變形量為0。從圖5可以看出，應(yīng)力主要集中于小臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接處和底座固定孔處，最大應(yīng)力為13.056 MPa。

圖4 機(jī)械臂水平姿態(tài)下的變形分布云圖

圖5 機(jī)械臂水平姿態(tài)下的應(yīng)力分布云圖

2.3 豎直姿態(tài)下的靜力學(xué)分析

將機(jī)械臂姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直姿態(tài)下進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得機(jī)械臂組成部件的變形分布情況（見圖6）和應(yīng)力分布情況（見圖7）。從圖6可以看出，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)處依舊發(fā)生最大變形，變形量是0.102 16 mm，并且變形量沿著機(jī)械臂呈遞減趨勢(shì)，直至在底座和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處變形量為 0，與水平姿態(tài)下的變形分布云圖相比，最大變形量減小，且發(fā)生變形的部分增加。通過(guò)圖7可以看出，應(yīng)力主要集中于大臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接處和底座固定孔處，最大應(yīng)力為 7.6831 MPa，與水平姿態(tài)相比，最大應(yīng)力值減小，應(yīng)力集中的范圍縮小。

圖6 機(jī)械臂豎直姿態(tài)下的變形分布云圖

圖7 機(jī)械臂豎直姿態(tài)下的應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

針對(duì)所設(shè)計(jì)的6R選矸機(jī)械臂，使用SolidWorks對(duì)其進(jìn)行了三維建模，為樣機(jī)的制作奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)ANSYS workbench對(duì)6R選矸機(jī)械臂進(jìn)行2種極限位置下的應(yīng)力變化規(guī)律和變形情況的靜力學(xué)分析，得到了2種姿態(tài)下的變形、應(yīng)力分布云圖。仿真結(jié)果表明，水平和豎直姿態(tài)下的機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)處會(huì)發(fā)生最大變形，變形量分別為0.438 81 mm、0.102 16 mm；水平姿態(tài)下的應(yīng)力主要集中于小臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接處和底座固定孔處，最大應(yīng)力為13.056 MPa，而豎直姿態(tài)下的應(yīng)力主要集中于大臂與肘關(guān)節(jié)連接處、大臂與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接處和底座固定孔處，最大應(yīng)力為7.6831 MPa，驗(yàn)證了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制等研究奠定了基礎(chǔ)。