薛鋒偉，周驥平，曹進，詹俊勇

(1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225127)

(2.南通江華熱動力機械有限公司，江蘇南通 226300)

(3.江蘇揚力集團有限公司，江蘇揚州 225127)

高速傳料機械手機身的有限元分析

薛鋒偉1，周驥平1，曹進2，詹俊勇3

(1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225127)

(2.南通江華熱動力機械有限公司，江蘇南通 226300)

(3.江蘇揚力集團有限公司，江蘇揚州 225127)

為提高沖壓生產線傳料機械手的傳送精度，對機械手的機身進行了有限元分析。分析了機身的結構特點，運用ANSYS軟件對其進行靜態(tài)和模態(tài)分析，得到機身等效應力云圖、應變云圖以及前六階固有頻率和相應振型。結果表明，機身有較大的優(yōu)化空間，為下一步機身的優(yōu)化提供了理論依據。

高速板材搬運機械手;有限元;靜態(tài);模態(tài)

沖壓加工成套聯線技術被廣泛應用于金屬板材成形生產線，開發(fā)出高速輸送動態(tài)特性穩(wěn)定的機械手是聯線技術的關鍵之一。高速傳料機械手的機身不僅要承受傳動結構的重力負載，還要承受運動部件在運動過程中產生的動態(tài)慣性負載，因此機身是傳料機械手重要的承載基體，機身的強度影響其使用壽命，剛度影響機械手的振動、能量損失以及傳送精度。為滿足生產線的生產節(jié)拍、生產可靠性和安全性，需對生產線中傳料機械手進行動靜態(tài)性能分析。主要工作是通過對機身進行靜力學特性分析，獲取應力應變云圖，研究機身變形和應力分布情況，然后再對機身進行模態(tài)分析，確定現有結構的固有頻率以及振型，為研究機身其他動力響應提供依據。

1 有限元模型的建立

根據企業(yè)提供的圖紙，在Solidworks軟件中創(chuàng)建機械手機身的三維實體模型。因為機身屬于大型復雜結構件，結構細節(jié)多，形狀變化大，所以在建模前需對機身進行一些合理的簡化，考慮結構設計形式與受力特點，可以將一些細節(jié)忽略:(1)將尺寸較小不作為主要承力部分的開孔和尺寸較小的板塊略去。(2)對于明顯不會影響機身整體強度、剛度的部位，如某些螺孔、凸臺、圓角等略去。而對用于減輕機身質量的一些開孔進行保留，同時機身喉口處的圓角是在橫截面突變處，根據彈性力學的分析，必將有應力集中現象，所以機身喉口處的圓角不宜簡化，并假設地腳螺栓剛度無限大，不考慮地基及機身以外部件的彈性變形。

圖1 機身有限元模型

2 有限元靜態(tài)分析

2.1 確立邊界條件

高速傳料機械手主要由機身、料架、橫梁、滑臺、平衡氣缸以及X軸傳動系統(tǒng)等組成。機械手的三維裝配模型如圖2所示。機身的邊界條件包括力邊界條件和位移邊界條件，在靜力學分析中，這兩者均需要考慮。

實際工作時，兩軸傳動系統(tǒng)運動部件在高速動態(tài)情況下會產生慣性負載，由力的傳遞作用，通過線軌面?zhèn)鬟f給機身。X方向慣性力大小Fx=M1× a1=92×11=1 012N，其中M1為X軸運動部件質量，a1為X方向最大加速度。Y方向慣性力大小Fy=M2×a2=324×5=1 620N，其中M2為Y軸運動部件質量，a2為Y方向最大加速度。機身作為機械手的主要承載基體，承受所有運動部件的重力負載，負載通過氣缸底座結合面?zhèn)鬟f給機身，大小為F=mg=324×9．8=3 176N，其中m為運動部件質量，g為重力加速度;最后施加機身的自身重力負載。

由于機身底座通過地腳螺釘與地基固定，所以需對機身底座與地基接觸面所有自由度進行全約束，同時將線軌與滑塊間看作不受力，具體的邊界條件設置如圖3所示。

圖2 機械手三維裝配模型

圖3 機身邊界條件

2.2 設定求解參數

利用有限元分析軟件分析的目的是模擬傳料機械手在實際工作中，在各種邊界條件作用下，機身應力、變形的分布情況，因此軟件分析設定的求解參數條件包括機身的等效應力和應變。

2.3 機身靜態(tài)分析

4)對于海底光纜頻繁受損現狀，在加強與海事、港監(jiān)、邊防等政府部門單位聯絡協調的基礎上，利用現有的海纜監(jiān)測平臺增強實時監(jiān)控能力，對禁錨海域展開全天候巡視，一旦發(fā)現情況，立即警告驅離，防止船只錨損事件重復發(fā)生。及時修復受損海底光纜，對承載有繼電保護、圖像監(jiān)控和視頻會議等業(yè)務的海底光纜提前做好相關的應急預案。

2.3.1 應力分析

等效應力云圖如圖4所示，應力主要集中在機身左右兩側板喉口的過渡圓角處，在機身前擋板窗口圓角處也出現了局部應力。最大應力出現在機身頂板與前端的連接處，大小約為30MPa。

圖4 等效應力云圖

2.3.2 應變分析

應變云圖如圖5所示，最大相對位移出現在機身頂部前端的外伸部分，大小約為0.13mm，左右側板靠近喉口處的一側位移也達到0.07mm。

圖5 應變云圖

2.3.3 機身靜強度、剛度分析

對機身進行靜態(tài)分析，機身采用Q235A鋼板焊接而成，機身的強度極限值σmax=235 MPa，查表并考慮取安全系數n=1．5，［σ］=σmax/n= 157 MPa。由機身應力分析可知，機身在氣缸安裝部位出現局部高應力區(qū)，最大應力為30 MPa，小于材料的許用應力值，表明該機身結構具有較好的穩(wěn)定性，同時喉口也是應力較大處。整個機身除了極少應力集中區(qū)域外，其他區(qū)域應力值都比較小，因此機身的強度滿足要求。由機身應變分析可知，機身加載后，總的相對位移最大為0.13mm，位于機身前部的外伸部分，但該變形值在允許的彈性變形范圍內。由此可知，機身的靜剛度也滿足要求。

3 有限元模態(tài)分析

由于機械手在工作過程中慣性力是以動載荷的形式作用于機身，這種狀態(tài)從靜態(tài)分析上無法判斷，為保證機械手的傳料精度和壽命，則還需要考慮機身的動態(tài)特性。通過對機身進行模態(tài)分析，從而確保機身具有較高的動剛度，以避免共振的產生?？紤]到低階模態(tài)更能準確地反映機身自然振動時的變形情況，因此提取前六階振型。借助于圖1在ANSYS中進行模態(tài)分析求解，求解后利用ANSYS通用后處理器觀察機身固有頻率和振型，其求解后的振型圖如圖6～圖11所示。

圖6 一階振型圖

圖7 二階振型圖

圖8 三階振型圖

圖9 四階振型圖

圖10 五階振型圖

圖11 六階振型圖

機身前六階固有頻率見表1。

表1 機身前六階固有頻率

由以上對機身的模態(tài)分析結果可以看出:

a．一階振型為機身繞X軸左右彎扭擺動型，振幅由機身中部向頂部逐漸增大，機身底部位移較小，最大相對位移在機身中上部的后端。該振型將影響滑臺上下的導向，同時將使地基上的底腳螺栓產生較大的拉應力及彎曲應力，給機身的安全帶來隱患。

b．二階振型為機身繞Z軸前后彎曲擺動型，振幅由機身底部向頂部逐漸增大，機身底部靠近地基的地方相對位移較小，最大相對位移出現在機身頂部的前端。其危害與一階振型相同。

c．三階振型為機身繞Y軸往復的扭轉擺動。該振型將會增大機身中上部的扭矩，即增大了地腳螺栓的剪力，同時加劇了滑臺與線軌導向部分的磨損。

d．四階振型為機身側板中下部繞X軸彎扭擺動，該振型屬于局部振型。

e．五階振型為機身沿Z軸彎扭組合擺動，該振型的影響與四階振型基本相似，增大了左右側板的彎矩，尤其增大了地腳螺栓的剪力，易使地腳螺栓產生疲勞斷裂。

f．六階振型為機身側板中下部繞X軸彎扭擺動，該振型的影響與五階的影響基本相似。

進一步分析還發(fā)現:

a．機身不僅有前后、左右方向的振動，而且有扭轉振動，這些現象將影響機身的強度和剛度，加重滑臺和線軌導向部分的磨損，因此在嘗試優(yōu)化時可以適當增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動現象的發(fā)生。

b．機身前三階振型均為整體振型，由此可知，機身整體剛度和質量分布較均衡，無明顯薄弱部位和過剩部位，這有利于機身整體性能的提高。

c．機身的最小固有頻率為57.2Hz，機械手的工作頻率約為4Hz，低階固有頻率遠大于工作頻率，該機身不會產生共振。

4 結束語

通過對高速傳料機械手機身進行有限元分析，分析結果反映出原機身設計在結構方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，對提高傳料機械手的傳送精度具有指導作用。本文的研究方法可以應用于高速傳料機械手的設計階段，從而避免了樣機試制后造成的資源浪費，對企業(yè)而言，具有重要的工程實際意義。

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The Finite Element Analysis on the Frame of High Speed Conveying Manipulator

XUE Fengwei1，ZHOU Jiping1，CAO Jin2，ZHAN Junyong3
(1.Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou，225127，China)
(2.Nantong Jianghua Thermodynamic Machinery Co.，Ltd.，Jiangsu Nantong，226300，China)
(3.Jiangsu YangLi Group，Jiangsu Yangzhou，225127，China)

In order to improve the combination mechanical properties of conveying manipulator，it takes the manipulator frame of stamping production line as an example，applies the advantage of finite element analysis software ANSYS，establishes the three－dimensional model of static and dynamic.Based on analysis of FEM，it obtains the structural stress，deformation distribution，the natural frequency and vibration mode.The result provides a reliable structural reasonable design with theory proof.

High Speed Manipulator of the Plate Handling;Finite Element;Static;Modal

TH164

A

2095－509X(2013)10－0018－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.10.005

2013－03－04

薛鋒偉(1987—)，男，江蘇南通人，揚州大學碩士研究生，主要研究方向機電一體化。