王文軍，李福送，林偉健

基于ABAQUS的模塊化機(jī)械手動(dòng)靜態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王文軍，李福送，林偉健

（柳州工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545000）

模塊化機(jī)械手在焊接過程中，運(yùn)動(dòng)到某些位置時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)幅度比較大的現(xiàn)象，影響了焊接的精度和質(zhì)量。對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，首先利用三維軟件UG NX 12.0對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行建模，再利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果表明：模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度達(dá)到工作性能要求。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明：模塊化機(jī)械手第1階固有頻率（1＝30.870 Hz）和減速器輸入最小的轉(zhuǎn)頻（29.13 r/min）很接近，容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象。在對(duì)第6軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出第1階固有頻率為36.033 Hz，比原來提高了16.72%，遠(yuǎn)離了減速器的輸入轉(zhuǎn)頻，避免了共振。本研究為對(duì)模塊化機(jī)械手改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

模塊化機(jī)械手；ABAQUS；固有頻率；共振；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制并可重復(fù)編程的多功能操作機(jī)，在改進(jìn)生產(chǎn)模式、優(yōu)化工作環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低運(yùn)營成本等方面贏得了企業(yè)的廣泛關(guān)注，目前廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配、焊接、涂裝等領(lǐng)域[1]。工業(yè)機(jī)器人的種類和樣式繁多，模塊化機(jī)械手是其中之一，優(yōu)點(diǎn)是方便安裝與拆卸、價(jià)格相對(duì)較便宜。模塊化機(jī)械手在焊接過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，影響焊接精度和質(zhì)量，且噪聲較大。

目前，已有學(xué)者對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行研究，胡義華[2]利用ANSYS軟件對(duì)物流貨物抓取機(jī)械手關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出構(gòu)件具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。陳彥宇等[3]利用ABAQUS軟件對(duì)桁架機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得出機(jī)身最大變形量和整機(jī)的最低固有頻率低于激振頻率，不會(huì)發(fā)生共振。崔書婉等[4]利用ANSYS軟件對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析，根據(jù)實(shí)際情況提出對(duì)應(yīng)優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的焊接機(jī)器人在提高了強(qiáng)度、剛度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化。趙軍等[5]利用UG軟件系統(tǒng)CAE分析模塊建立在最大垂向力工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的動(dòng)靜態(tài)性能分析模型，得出降低橋殼厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度。

對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)靜特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)焊接精度和質(zhì)量的提高，對(duì)模塊化機(jī)械手的應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)意義。本文以模塊化機(jī)械手為研究對(duì)象，以現(xiàn)場(chǎng)原型為基礎(chǔ)，從理論方面進(jìn)行研究。利用UG NX 12.0軟件對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行三維建模，再利用ABAQUS軟件進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性分析，找出大幅度抖動(dòng)的原因并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，從而達(dá)到消除或抑制大幅度抖動(dòng)的目的。

1 模塊化機(jī)械手靜力學(xué)分析

模塊化機(jī)械手屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，有第1軸～第6軸共6個(gè)關(guān)節(jié)，如圖1所示。在第6軸末端法蘭處安裝焊槍。用地腳螺栓固定底座。首先對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，求出機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)在極限位置時(shí)各軸的應(yīng)力值和最大變形量。確保模塊化機(jī)械手不因自重原因出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度不能滿足工作性質(zhì)要求的情況。

圖1 模塊化機(jī)械手三維模型

1.1 三維建模

根據(jù)模塊化機(jī)械手的技術(shù)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物，利用UG NX 12.0對(duì)其進(jìn)行建模。

由于模塊化機(jī)械手零部件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在確保符合工程技術(shù)要求的前提下，對(duì)模塊化機(jī)械手的三維模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，使有限元分析模型在計(jì)算機(jī)得到高效運(yùn)算。

簡(jiǎn)化原則如下[6-7]：

（1）對(duì)一些復(fù)雜的零件，在保證主體結(jié)構(gòu)性能的提前下進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如刪除倒角，小孔；

（2）刪除螺栓和螺母連接，在ABAQUS相互作用模塊中對(duì)連接部件設(shè)定連接方式；

（3）對(duì)電機(jī)、編碼器、焊槍、電線進(jìn)行簡(jiǎn)化或在對(duì)應(yīng)連接部件上進(jìn)行質(zhì)量附加。

UG NX 12.0和ABAQUS可實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。模塊化機(jī)械手三維模型可直接導(dǎo)入ABAQUS。導(dǎo)入后對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)檢查，確保模型完整性。

本臺(tái)模塊化機(jī)械手應(yīng)用于焊接，焊槍重量相對(duì)比較輕，所以模塊化機(jī)械手的各軸連桿構(gòu)件主要是承受各軸部件自身重力而引起的應(yīng)力和應(yīng)變。極限位置是指模塊化機(jī)械手受到最大應(yīng)力、應(yīng)變和變形量的位置，也就是各軸部件的重力離底座最遠(yuǎn)的位置。在極限位置，末端執(zhí)行器處（焊槍處）是變形量最大的位置[8]。本文選擇模塊化機(jī)械手在焊接的極限位置進(jìn)行分析，如圖2所示。

1.2 定義模型材料屬性

模塊化機(jī)械手底座、第2軸和第3軸的部件材料主要是Q235；第4～6軸的部件材料主要是鋁合金ZL108。首先要對(duì)模塊化機(jī)械手各部件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，如表1所示。

在ABAQUS的屬性模塊中輸入各種材料參數(shù)時(shí)，要統(tǒng)一單位制，因?yàn)锳BAQUS不會(huì)對(duì)單位進(jìn)行分辨[9]。

圖2 模塊化機(jī)械手的極限位置

表1 模塊化機(jī)械手材料參數(shù)表

1.3 相互作用

模塊化機(jī)械手各軸之間是通過電動(dòng)機(jī)和減速器進(jìn)行連接的。在靜止?fàn)顟B(tài)下，各軸之間的連接相當(dāng)于剛性連接。在相互作用的模塊中設(shè)置為綁定約束[9]。

1.4 添加載荷和約束

模塊化機(jī)械手和地面的連接通過地腳螺栓進(jìn)行固定，在設(shè)置約束時(shí)對(duì)底座下端進(jìn)行完全固定。在模塊化機(jī)械手末端法蘭處施加焊槍自重（≈1 kg）。模塊化機(jī)械手其他各軸只受到自身重力的作用，沒有受到其他外部載荷，不需要施加載荷。

1.5 網(wǎng)格劃分

因模塊化機(jī)械手零部件較多，有的較復(fù)雜，所以在ABAQUS中采用“四面體”網(wǎng)格劃分[9]。

1.6 求解結(jié)果

從圖3可看出，模塊化機(jī)械手極限位置姿態(tài)應(yīng)變最大發(fā)生在第2軸和第3軸的連接部件（大臂）。

圖3 積分點(diǎn)應(yīng)變?cè)茍D

從圖5可看出，最大的變形量是在第6軸末端法蘭處，值為0.17 mm。和前文分析末端執(zhí)行器處（焊槍處）是變形量最大的位置相吻合。本臺(tái)模塊化機(jī)械手是用于焊接，由于自重而出現(xiàn)的最大變形量符合工程要求。

綜合上述分析可得出：模塊化機(jī)械手靜力學(xué)分析結(jié)果符合工作性質(zhì)要求，不需要增加強(qiáng)度和剛度。

圖4 彈性應(yīng)力云圖

圖5 空間位移云圖

2 模塊化機(jī)械手模態(tài)分析

焊接過程中，模塊化機(jī)械手在某些位置出現(xiàn)大幅度抖動(dòng)現(xiàn)象。要找出大幅度抖動(dòng)的原因，就要對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析?，F(xiàn)利用ABAQUS對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行模態(tài)分析，求出其固有頻率和相應(yīng)振型。

2.1 理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析的任務(wù)是求出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階模態(tài)參數(shù)，譬如系統(tǒng)的固有頻率和振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等。由彈性力學(xué)可以得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元方程為：

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)是不受外力作用的自由振動(dòng)系統(tǒng)，則自由振動(dòng)方程為：

由于阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率的振型影響不大，所以可以忽略阻尼的影響，則無阻尼自由振動(dòng)方程為：

假設(shè)結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則式（3）的解可以設(shè)為：

現(xiàn)代市場(chǎng)營銷模式把消費(fèi)者的利益和需求放在首要位置，這是市場(chǎng)營銷的一場(chǎng)巨大變革。很多企業(yè)在企劃市場(chǎng)營銷之前，都要對(duì)消費(fèi)者的消費(fèi)需求和消費(fèi)欲望與市場(chǎng)行情進(jìn)行客觀、詳細(xì)的深入了解。其次，企業(yè)要針對(duì)自身的產(chǎn)品對(duì)行業(yè)內(nèi)部的市場(chǎng)飽和程度進(jìn)行調(diào)研，準(zhǔn)確針對(duì)自身的產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)定位，結(jié)合企業(yè)自身的情況和未來發(fā)展的方向，對(duì)潛在的消費(fèi)者、市場(chǎng)、客戶進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。在完成這一系列的前期轉(zhuǎn)化工作之后，企業(yè)集中所有的人力、物力、財(cái)力制定出準(zhǔn)確的市場(chǎng)營銷計(jì)劃和方案，很好地落實(shí)到實(shí)踐中去，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、消費(fèi)者和企業(yè)三方共贏的良好發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)合式（3）和式（4），可得：

求解式（4）、式（5）就可以得出結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振型[10-11]。

2.2 模態(tài)分析

由于模塊化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)姿態(tài)是隨著各軸轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生改變的，所以其在各種姿態(tài)下的固有頻率和相應(yīng)振型會(huì)有所差異[11-12]。為了得到與本文研究有關(guān)的數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)記錄模塊化機(jī)械手出現(xiàn)大幅度抖動(dòng)現(xiàn)象的各種姿態(tài)。本文選擇具有代表性的姿態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析，模塊化機(jī)械手的動(dòng)力主要由6個(gè)軸的伺服電動(dòng)機(jī)通過減速器提供。模塊化機(jī)械手在焊接過程中，移動(dòng)速度比較緩慢，現(xiàn)場(chǎng)外部激勵(lì)輸入頻率也相應(yīng)較低，所以只需研究模塊化機(jī)械手的低階模態(tài)。本文分析模塊化機(jī)械手前8階的固有頻率和相應(yīng)振型。

在ABAQUS中對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，前面的操作步驟和靜力學(xué)分析的操作步驟基本一致，主要區(qū)別是模態(tài)分析的“分析步”需選擇“線性攝動(dòng)分析步”→“頻率”，設(shè)置相關(guān)參數(shù)[9]。模態(tài)分析結(jié)果如圖6、圖7所示，其前8階固有頻率歸納如表2所示。

從表2可以看出，模塊化機(jī)械手的前8階固有頻率為30.870～260.06 Hz，每階固有頻率值之間比較接近，特別是前3階。

從圖6、圖7可以看出，模塊化機(jī)械手前8階的振型主要表現(xiàn)在第4軸、第5軸和第6軸上。計(jì)算出的固有頻率和相應(yīng)振型為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

表2 模塊化機(jī)械手的各階固有頻率

3 模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 分析及優(yōu)化方案

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析，模塊化機(jī)械手輸入激勵(lì)主要是來自6個(gè)軸伺服電動(dòng)機(jī)通過減速器輸入的轉(zhuǎn)頻。模塊化機(jī)械手6個(gè)軸的伺服電動(dòng)機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min。第1～3軸為RV減速器，減速比為120。第4～6軸為諧波減速器，最小減速比出現(xiàn)在第5和第6軸，減速比為103，兩個(gè)軸減速器輸入轉(zhuǎn)速為29.13 r/min。經(jīng)過計(jì)算，模塊化機(jī)械手其他軸輸出的轉(zhuǎn)頻都比這兩個(gè)軸低，即遠(yuǎn)離模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)第1階固有頻率（1＝30.870 Hz）。根據(jù)模塊化機(jī)械手的激勵(lì)輸入，再結(jié)合模塊化機(jī)械手有限元分析前8階固有頻率來看，整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第1階模態(tài)比較容易出現(xiàn)[10]，所以本文只研究第5和第6軸的轉(zhuǎn)頻即可。

圖6 模塊化機(jī)械手的前4階振型圖

圖7 模塊化機(jī)械手的5～8階振型圖

由于第5和第6軸減速器的轉(zhuǎn)頻接近模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率，所以容易引起模塊化機(jī)械手共振。通過對(duì)模塊化機(jī)械手低階振型和現(xiàn)場(chǎng)的觀察，振動(dòng)主要出現(xiàn)在第4～6軸處。目前，第6軸的電機(jī)只連接有一塊鋁板，可以在該位置上進(jìn)行優(yōu)化。在原來的基礎(chǔ)上加一塊鋁板進(jìn)行加固，使結(jié)構(gòu)更結(jié)實(shí)，最重要的是能提高第1階的固有頻率。

3.2 驗(yàn)證優(yōu)化方案

模塊化機(jī)械手優(yōu)化后，再利用ABAQUS進(jìn)行模態(tài)分析。根據(jù)前面分析可知，主要振動(dòng)是低階引起的，所以只算出模塊化機(jī)械手的前4階固有頻率和相應(yīng)振型，如表3、圖8所示。

模塊化機(jī)械手的第1階固有頻率為36.033 Hz，比原來提高了16.72%，更加遠(yuǎn)離第5和第6軸減速器的轉(zhuǎn)頻，同時(shí)第6軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也得到了提高。

表3 優(yōu)化后模塊化機(jī)械手的前4階固有頻率

4 結(jié)論

對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，模塊化機(jī)械手在極限位置時(shí)，各軸部件應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求。第6軸連接法蘭處的變形量最大，值為0.17 mm。本臺(tái)模塊化機(jī)械手是用于焊接，該最大變形量符合工作性質(zhì)要求。通過對(duì)模塊化機(jī)械手進(jìn)行模態(tài)分析，得出其固有頻率和相應(yīng)振型。伺服電動(dòng)機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min，第5和第6軸減速器的減速比為103，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)頻為29.13 r/min，該轉(zhuǎn)頻接近模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率，容易引起共振。對(duì)第6軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證結(jié)果表明：優(yōu)化后模塊化機(jī)械手第1階固有頻率提高了16.72%，避開了減速器的輸入轉(zhuǎn)頻，防止共振。同時(shí)第6軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也得到了提高。本研究為模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

圖8 優(yōu)化后模塊化機(jī)械手的前4階振型圖

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Dynamic and Static Analysis and Structural Optimization of Modular Manipulator Based on ABAQUS

WANG Wenjun，LI Fusong，LIN Weijian

(College of Mechanical Engineering, Liuzhou Institute of Technology, Liuzhou 545000,China)

Large vibration of modular manipulator in some positions of welding process affects the precision and quality of welding. The modular manipulator is carried out static and dynamic analysis. Firstly, UG NX 12.0 is used to model the modular manipulator. Secondly, ABAQUS is used to carry out static analysis and modal analysis of the modular manipulator. The results of static analysis show that the structural stiffness and strength of the manipulator meet the requirements of working performance. The modal analysis show that the first natural frequency of the modular manipulator (1=30.870 Hz ) is very close to the input minimum frequency of reducer (29.13 r/min). It is easy to occur to resonance for the modular manipulator. The verification analysis is carried out for the optimization of the sixth axis of the modular manipulator. It shows that the first natural frequency of the modular manipulator is 36.033 Hz which 16.72% higher than the original one. It is far away from the input frequency of the reducer and avoids resonance. This study provides a theoretical basis for the improvement of modular manipulator.

modular manipulator；ABAQUS；natural frequency；resonance；structural optimization

TP241；TH113

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.09.010

1006-0316 (2021) 09-0067-07

2021-03-25

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY1104）

王文軍（1982－），男，廣西田陽人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械振動(dòng)與測(cè)試技術(shù)，E-mail：39628608@qq.com。