基于ANSYS的链条传动对细长臂振动特性影响分析

２０１９年８月

机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATION

No．４

Au．g

()文章编号:１６７２Ｇ６４１３２０１９０４Ｇ００７６Ｇ０３

基于ANSYS的链条传动对细长臂振动特性影响分析

王光越

()中国船舶重工集团公司第七一〇研究所,湖北　宜昌　４４３０００

摘要:在细长臂的振动特性分析中,由于传动链条的存在,使得细长臂的振动特性和端部位移运动的精准度有所改变.针对这一问题,提出利用弹性套筒模拟链条使之达到与链条变形相同的效果,并利用有限元进行振动特性分析.研究结果表明,使用弹性套筒模拟链条,可以得到更为准确的细长臂振动特性数据,从而为设计者更好地抑制细长臂的振动提供更准确的参考数据.关键词:细长臂;振动特性;有限元;链传动

中图分类号:TP３９１􀆰７∶TP２４２􀆰２　　　文献标识码:A

０　引言

振动是机械工作时普遍存在的一种现象.每套设备都有自身的振动频率,当外界激励的频率接近自身的振动频率时,设备便会产生共振现象,影响设备正常使用.随着科学技术的发展,工业机器人凭借精准性和快速性越来越多地出现在加工制造领域,尤其在高精度的加工制造领域,故而机器人的共振现象成为不可忽视的问题.

在航天火箭等应用领域,经常需要对细长的薄壁圆柱壳体进行高精度的加工.由于对壳体内壁的粗糙度要求较高,人工打磨不可能满足要求,因此需要借助

[]

专用的打磨机器人来完成打磨任务１.本文中的打磨机器人主要由基座、机械臂、驱动装置及打磨装置组成.机械臂是机器人主要的作业部件,它主要包括大臂、小臂和腕部三个关节.大臂实现水平面的前后平移运动,小臂和腕部用于实现水平面内的左右摇摆运动.由于机械臂总长５５最大截面尺寸为１００mm,２０mm×

因此也可以看做是细长臂.细长臂有时也可１４０mm,

称为柔性臂,在工业机器人中的应用非常广泛.根据机器人的结构设计可知,机械臂的小臂关节和腕部关节的运动都是通过链传动的方式来实现的,因此机械臂在水平面内的振动特性受到小臂链条和腕部链条的影响比较大.目前,链传动对机械性能影响的研究主

]２Ｇ３

,要集中在链传动的多边形效应上[对于链条本身变

形对系统振动特性影响的研究比较少.同时由于腕部打磨电机的存在,机械臂的振动特性会更加明显.对机械臂进行模态分析时,一般都是将大臂、小臂和腕部作为一个整体建模,忽略了链条对机械臂振动特性的影响.对于这种细长臂而言,由于链条的存在,分析误差

收稿日期:２０１８Ｇ０１１Ｇ２９;修订日期:２０１９Ｇ０６Ｇ０６

会比较大.针对这种情况,本文提出利用弹性套筒来模

拟链条的方式,从而得到比较准确的振动特性数据.１　打磨机器人结构

打磨机器人的总体结构如图１所示,机械臂及其驱动机构如图２所示.

图１　打磨机器人总体结构

２　方案设计

从机器人的设计结构可知,小臂和腕部的动作是分别通过小臂电机和腕部电机的驱动实现的,两者均是通过链传动的方式,而且链条长度比较长,在作业时变形也最大,对机械臂的振动特性影响也最大.机械臂的振动特性与材料的弹性模量关系比较密切,因此本文提出利用弹性套筒的方式来模拟小臂和腕部链条的变形情况,通过设置弹性套筒的弹性模量来达到与链条变形相同的效果.进而利用弹性套筒代替链条对机械臂进行模态分析,得到更为准确的机械臂模态值.

由设备零件的实际尺寸可知,小臂链条的长度

截面尺寸A１＝４mm×５mm.小臂链L５０５０mm,１＝

图２　打磨机器人机械臂及其驱动机构

),男,湖北枣阳人,工程师,硕士,主要从事水下机器人结构设计方面的科研工作.作者简介:王光越(１９８７Ｇ

基于AN　２０１９年第４期　　　　　　　　王光越:SYS的链条传动对细长臂振动特性影响分析

􀅰７７􀅰

.通过刚度计算公条材质为钢,弹性模量E＝２００GPa

式可知,小臂链条的拉伸刚度为:

１１－６

EA２×１０×４×５×１０１５

/K１＝＝＝７．９２１×１０Nm．

L５．０５１

当在小臂链条的一端施加力F＝１０小臂链００N,条的变形量为:

转动距离为１．与小臂链条的弹性变形量２６２mm,一致.

F１０００－３

l＝１．２６２×１０m．１＝５＝K１７．９２１×１０

模拟小臂链条的方案是将相同大小的力加在小臂套筒的边缘,套筒的外圆直径假设为５０mm.则小臂套筒受到的扭矩为:

－３

M＝FR＝１０００×２５×１０＝２５N􀅰m．小臂套筒转动角度为:

同理,腕部链条的总长度为５３５５mm.由计算可知,当模拟腕部链条的弹性套筒弹性模量为４．７７×７

弹性套筒外圆的最大转动距离为１１０Pa时,．３４mm,

图５　小臂套筒变形云图

θ１＝lr１

＝１．２６２×１０－３

＝０．０５０４８小臂套筒扭转刚度１

２５×１０－３

rad．kθ１

２５:

M/在＝θ＝０．＝４９５．２５N􀅰mrad．束,将通过不断调整小臂套筒的弹性模量值１０AN００NS１

YS中模拟的时候将小臂套筒内表面全约０５０４８的作用力施加在套筒的外边缘的节点上,,使小臂套筒外圆的位移距离与小臂链条的计算变形量相同.

首先在５mm.圆建立的小臂套筒模型如图直A径N为SY５S０中建立小臂套筒的三维模型mm,内圆直径,套筒的外３为所示２０.mm,厚度的作用力需要均匀地作用在小臂套筒的外边缘１０.０通过０N网格计算可知,划分完成之后小臂套筒外表面的节点数n１＝

１４０,因此每个节点施加的周向力大小为F:１＝nF在套筒的内表面１＝１０００,对柱坐标系施加全约束１４０

＝７．１４３N．

.小臂套筒的加载模型如图４所示.

图对小臂施加相关载荷和约束后３　小臂套筒模型图４　小臂套筒加载模型

,通过不断改变套

筒的弹性模量,使之达到与小臂链条相同的变形效果所示１,计算过程的实验数据如表所示.最后一次计算值的套筒变形云图如图表１　小臂套筒计算过程的实验数据

５.

弹性模量(７转动距离(m)

６×７

Pa

)×１１００７１．．０１２×５５．５×１０

７７．１４８５．６××１１０２１１７×１０－３１×１１０－３１５．６１６×０７１０７２８６８５××１０－３１．１０－３１．０－３１．２６２×１０－３

　　由计算结果可知,

当模拟小臂链条的弹性套筒的弹性模量为５．６１６×１０７

Pa时,

弹性套筒外圆的最大与腕部链条的弹性变形量一致１６×,１腕部链条用弹性模量为０Pa.最终,小臂链条用弹性

模量为５．６７

的弹性套筒来模拟小臂链条工作

时的变形状态７

弹性套筒来模拟腕部链条工作时的变形状态４．７７×.１０Pa的３　机械臂模态分析对比

模态是指机械结构的固有振动特性[４Ｇ５]

是研究结构动力学特性的一种方法NSYS,一般应用在工程,模态分析

振动领域.本文通过利用A中的模态分析功３能．１,对两种建模方式的机械臂的振动特性进行分析　.一般机械臂模型的分析

在这里,将大臂、小臂和腕部作为一个整体建模,划分网格后进行模态分析,其前６阶振型如图６所示.

图３．２　改进机械臂模型的分析

６　机械臂(不加套筒)的振型

将小臂套筒和腕部套筒分别装配到机械臂的相关位置上,在ANSYS中重新建立机械臂的三维模型.装配完成之后的机械臂模型如图７所示.

腕部打磨电机的质量较重．１７kg

电机模块的,经过实际称重可知体积,腕

部电机重１,V＝(６０×６０×１􀅰７８􀅰

机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年第４期　

３

).在AN１００mmSYS中通过设置单元密度的方式来模拟腕部电机,需要的设置单元密度为:

m１．１７３

/３２５０km．g－９＝ρ＝V＝６０×６０×１００×１０

计算完成之后将相关属性分配到各个单元模块中,具体如表２所示.

臂的高精度作业提供了准确的参考数据.

)２弹性模量(GPa００

泊松比/密度(kmg

３)

部件大臂０．３

图７　加套筒后的机械臂模型

表２　属性分配

小臂２０００．３

腕部

电机２０００．３

２０００．３

小臂套筒０．３

腕部套筒０．０４７７７８０００．３

０．０５６１６７８００

并将相　　在ANSYS中建立机械臂的有限元模型,

关属性分配在相应的单元模块上.划分网格之后对机械臂进行模态分析,这里我们主要关注机械臂的低频振动,因此分析阶数设置为６阶.计算完成之后的各阶振型如图８所示.３．３　试验结果分析

经过模态分析之后,对改进前、后的机械臂前６阶模态值进行比较,结果如表３所示.

通过对两种不同结构形式的机械臂模型进行对比分析发现,改进机械臂模型的模态值整体呈降低趋势,这是由于弹性套筒的存在降低了机械臂小臂和腕部处的弹性模量.根据二者模态值对比可以发现,模型改进之后机械臂的模态值在水平面内比在垂直平面内减少的多,这与机械臂的运动方式是一致的.从二者的变形图可以知道,模型改进之后的机械臂在水平面内小臂和腕部的变形明显变大,与机械臂实际工作时的情况相符.４　结语

链传动是机械设备中常见的传动方式,在高精度机械加工时,链传动本身对设备振动特性的影响不可忽视.本文通过将链条进行简化,提出利用弹性套筒来模拟链条的弹性变形,计算弹性套筒的相关参数,并利用ANSYS的模态分析功能对改进之后的机械臂模型进行模态分析,得到更为准确的模态值,为实现机械

７８００７８００７８００３２５０

模态阶数第１阶第２阶第３阶第４阶第５阶第６阶

不加套筒时的加套筒时的

２－１f)频率f)f频率fHzHz１(２(

６．７０１７．５５１

６．５６５５７．８６４８１０．４５３３１．５５０４１．３７７５４．２９５

图８　改进机械臂(加套筒)模型的振型

表３　改进前、后的机械臂模态值比较

主要振型方向

水平面垂直面水平面垂直面水平面垂直面

－０．１３５５－２２．６２９－３１．１９６－２１．６７８－４．５７３０．３１３８

３３．０８２３６．１２３７２．５７３７５．９７３

参考文献:

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ImactAnalsisofChainTransmissiononVibrationCharacteristicsofpy

SlenderArmBasedonANSYS

WANGGuanＧuegy

:,AbstractIntheanalsisofvibrationcharacteristicsofslenderarmsthevibrationcharacteristicsandtheaccuracfenddislacementyyop

,movementofslenderarmshavebeenchanedduetotheexistenceoftransmissionchains．Aimintthisproblemtheelasticsleevewasusedgga

,tosimulatethechainsoastoachievethesameeffectasthechaindeformationandthevibrationcharacteristicswereanalzedbfiniteelementyy

method．Theresultsshowthatmoreaccuratevibrationcharacteristicdataofslenderarmcanbeobtainedbsinlasticsleevetosimulateyuge

,thechainsoastoprovidemoreaccuratereferencedatasfordesinerstobettersuressthevibrationoftheslenderarm．gpp:;;Keordsslenderarm;vibrationcharacteristicsfiniteelementmethodchaintransmissionyw

(,)YichanestinechnoloesearchInstituteYichan４３０００,ChinagTgTgyRg４