高速傳料機(jī)械手機(jī)身的有限元分析

薛鋒偉，周驥平，曹進(jìn)，詹俊勇

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

(2.南通江華熱動力機(jī)械有限公司，江蘇南通 226300)

(3.江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127)

高速傳料機(jī)械手機(jī)身的有限元分析

薛鋒偉1，周驥平1，曹進(jìn)2，詹俊勇3

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

(2.南通江華熱動力機(jī)械有限公司，江蘇南通 226300)

(3.江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127)

為提高沖壓生產(chǎn)線傳料機(jī)械手的傳送精度，對機(jī)械手的機(jī)身進(jìn)行了有限元分析。分析了機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用ANSYS軟件對其進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，得到機(jī)身等效應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及前六階固有頻率和相應(yīng)振型。結(jié)果表明，機(jī)身有較大的優(yōu)化空間，為下一步機(jī)身的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

高速板材搬運(yùn)機(jī)械手;有限元;靜態(tài);模態(tài)

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

1 有限元模型的建立

根據(jù)企業(yè)提供的圖紙，在Solidworks軟件中創(chuàng)建機(jī)械手機(jī)身的三維實(shí)體模型。因?yàn)闄C(jī)身屬于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)多，形狀變化大，所以在建模前需對機(jī)身進(jìn)行一些合理的簡化，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式與受力特點(diǎn)，可以將一些細(xì)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(jī)身整體強(qiáng)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(jī)身質(zhì)量的一些開孔進(jìn)行保留，同時機(jī)身喉口處的圓角是在橫截面突變處，根據(jù)彈性力學(xué)的分析，必將有應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以機(jī)身喉口處的圓角不宜簡化，并假設(shè)地腳螺栓剛度無限大，不考慮地基及機(jī)身以外部件的彈性變形。

圖1 機(jī)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(jī)械手主要由機(jī)身、料架、橫梁、滑臺、平衡氣缸以及X軸傳動系統(tǒng)等組成。機(jī)械手的三維裝配模型如圖2所示。機(jī)身的邊界條件包括力邊界條件和位移邊界條件，在靜力學(xué)分析中，這兩者均需要考慮。

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

由于機(jī)身底座通過地腳螺釘與地基固定，所以需對機(jī)身底座與地基接觸面所有自由度進(jìn)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(shè)置如圖3所示。

圖2 機(jī)械手三維裝配模型

圖3 機(jī)身邊界條件

2.2 設(shè)定求解參數(shù)

利用有限元分析軟件分析的目的是模擬傳料機(jī)械手在實(shí)際工作中，在各種邊界條件作用下，機(jī)身應(yīng)力、變形的分布情況，因此軟件分析設(shè)定的求解參數(shù)條件包括機(jī)身的等效應(yīng)力和應(yīng)變。

2.3 機(jī)身靜態(tài)分析

4)對于海底光纜頻繁受損現(xiàn)狀，在加強(qiáng)與海事、港監(jiān)、邊防等政府部門單位聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的海纜監(jiān)測平臺增強(qiáng)實(shí)時監(jiān)控能力，對禁錨海域展開全天候巡視，一旦發(fā)現(xiàn)情況，立即警告驅(qū)離，防止船只錨損事件重復(fù)發(fā)生。及時修復(fù)受損海底光纜，對承載有繼電保護(hù)、圖像監(jiān)控和視頻會議等業(yè)務(wù)的海底光纜提前做好相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案。

2.3.1 應(yīng)力分析

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

圖4 等效應(yīng)力云圖

2.3.2 應(yīng)變分析

應(yīng)變云圖如圖5所示，最大相對位移出現(xiàn)在機(jī)身頂部前端的外伸部分，大小約為0.13mm，左右側(cè)板靠近喉口處的一側(cè)位移也達(dá)到0.07mm。

圖5 應(yīng)變云圖

2.3.3 機(jī)身靜強(qiáng)度、剛度分析

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

3 有限元模態(tài)分析

由于機(jī)械手在工作過程中慣性力是以動載荷的形式作用于機(jī)身，這種狀態(tài)從靜態(tài)分析上無法判斷，為保證機(jī)械手的傳料精度和壽命，則還需要考慮機(jī)身的動態(tài)特性。通過對機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，從而確保機(jī)身具有較高的動剛度，以避免共振的產(chǎn)生?？紤]到低階模態(tài)更能準(zhǔn)確地反映機(jī)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(jìn)行模態(tài)分析求解，求解后利用ANSYS通用后處理器觀察機(jī)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(jī)身前六階固有頻率見表1。

表1 機(jī)身前六階固有頻率

由以上對機(jī)身的模態(tài)分析結(jié)果可以看出:

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

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

c．三階振型為機(jī)身繞Y軸往復(fù)的扭轉(zhuǎn)擺動。該振型將會增大機(jī)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(dǎo)向部分的磨損。

d．四階振型為機(jī)身側(cè)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(jī)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(cè)板的彎矩，尤其增大了地腳螺栓的剪力，易使地腳螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂。

f．六階振型為機(jī)身側(cè)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(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn):

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

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

c．機(jī)身的最小固有頻率為57.2Hz，機(jī)械手的工作頻率約為4Hz，低階固有頻率遠(yuǎn)大于工作頻率，該機(jī)身不會產(chǎn)生共振。

4 結(jié)束語

通過對高速傳料機(jī)械手機(jī)身進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果反映出原機(jī)身設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，對提高傳料機(jī)械手的傳送精度具有指導(dǎo)作用。本文的研究方法可以應(yīng)用于高速傳料機(jī)械手的設(shè)計(jì)階段，從而避免了樣機(jī)試制后造成的資源浪費(fèi)，對企業(yè)而言，具有重要的工程實(shí)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(yáng)州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向機(jī)電一體化。