去毛刺機(jī)器人的應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李家應(yīng)，朱龍英，陸寶發(fā)

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，鹽城 224001）

機(jī)器人技術(shù)

去毛刺機(jī)器人的應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李家應(yīng)1，朱龍英2，陸寶發(fā)1

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，鹽城 224001）

以去毛刺機(jī)器人為研究對(duì)象，定性的對(duì)其進(jìn)行靜力分析其結(jié)果在允許范圍內(nèi)。然后利用三維軟件Pro/E對(duì)去毛刺機(jī)器人進(jìn)行建立模型，再導(dǎo)入ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件中。對(duì)其整體和各個(gè)關(guān)節(jié)分別進(jìn)行應(yīng)力分析以確定待優(yōu)化位置，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其提出相應(yīng)優(yōu)化方法。最后優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)機(jī)器人提高了剛度和強(qiáng)度還進(jìn)一步減輕質(zhì)量，達(dá)到了輕量化目的。

機(jī)器人；應(yīng)力分析；輕量化

0　引言

現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的支柱，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。大部分工業(yè)機(jī)器人由本體機(jī)構(gòu)，控制、驅(qū)動(dòng)及反饋系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。去毛刺機(jī)器人具有高精度、高效率、對(duì)工作環(huán)境要求低、加工空間復(fù)雜、降低報(bào)廢率、可長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)成為去毛刺領(lǐng)域的熱點(diǎn)。它在工作過(guò)程中腰部、大臂和肘部是承受彎曲應(yīng)力的主要部位，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證其強(qiáng)度。本文利用Pro/E進(jìn)行建模然后導(dǎo)進(jìn)ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，并找到最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻，以檢驗(yàn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，并為各部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

1　去毛刺機(jī)器人模型的建立

機(jī)器人本體由手臂、手腕、末端執(zhí)行器等機(jī)構(gòu)組成。其中手臂關(guān)節(jié)為定位機(jī)構(gòu)，用來(lái)改變手腕參考點(diǎn)的位置。本文將去毛刺機(jī)器人設(shè)計(jì)成六自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人，主要由四個(gè)部件組成：底座、腰部、臂部和手腕，圖1為所設(shè)計(jì)的去毛刺機(jī)器人本體支撐結(jié)構(gòu)原理圖。利用Pro/E軟件建立去毛刺機(jī)器人的三維模型，如圖2所示。再通過(guò)Pro/E接口導(dǎo)進(jìn)ADAMS中，添加約束和驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行仿真分析。

圖1　去毛刺機(jī)器人總體構(gòu)型

圖2　去毛刺機(jī)器人模型

2　應(yīng)力分析

2.1靜力分析

以去毛刺機(jī)器人受載最危險(xiǎn)的一種情況為例，對(duì)腰部的應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖3所示，其中G1為末端刀具重量，G2為腕部重量，G3為小臂重量，G4為大臂重量，G5為腰部自身重量。腰部受載模型如圖4所示，將去毛刺機(jī)器人各部分的載荷等價(jià)到腰部，形成軸向力F和力矩M。

圖3　機(jī)器人受載模型

由圖4可以看出腰部受軸向壓縮和彎曲力矩，所以腰部所受應(yīng)力為彎曲和壓縮的組合應(yīng)力，由材料力學(xué)的知識(shí)可得應(yīng)力計(jì)算公式：

圖4　腰部受載模型

式中WZ為彎曲截面系數(shù)。其中末端刀具的重量相對(duì)于整機(jī)可以忽略不計(jì)，得到：

其中L1=540mm，L2=650mm，L3=610mm，L4=610mm，d=180mm，G2=30.32N，G3=65.77N，G4=70.34N，G5=127N，求得F=293.44N，n=127.13N?M， Wz=5.71×10-4m3，最后求得遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。

2.2動(dòng)態(tài)有限元分析

利用ADAMS中的Durability單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元分析，可以得到柔性體任一時(shí)刻的應(yīng)力狀況。接下來(lái)即調(diào)用ADAMS中的Durability模塊對(duì)去毛刺機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)力分析，觀察整個(gè)仿真過(guò)程，圖5為整機(jī)的應(yīng)力分布圖，由圖可知整機(jī)的最大應(yīng)力為76.45Mpa，接下來(lái)需要進(jìn)一步了解具體是哪個(gè)部分的應(yīng)力最大。

圖5　機(jī)器人整機(jī)應(yīng)力分布圖

圖6為腰部的應(yīng)力分布圖，可以看出腰部的最大應(yīng)力為76.45MPa，即為整機(jī)的最大應(yīng)力，應(yīng)力分布較為集中的地方為關(guān)節(jié)2的左下方，且最大應(yīng)力分布于腰部豎直平面與水平平面的的連接處。圖7為大臂的應(yīng)力分布圖，由圖可知大臂的最大應(yīng)力為29.54MPa，且可以看出大臂下部肩關(guān)節(jié)及其附近的應(yīng)力明顯高于上部肘關(guān)節(jié)及其附近的應(yīng)力，這也正好符合去毛刺機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)工作中肩關(guān)節(jié)承受較大的載荷和力矩的情況。圖8為肘部的應(yīng)力分布圖，由圖可知肘部的最大應(yīng)力為11.18MPa，應(yīng)力較為集中的是肘部與橫擺關(guān)節(jié)的連接處及其形狀突變的區(qū)域，并且肘關(guān)節(jié)右下方及肘部水平部位的下方所受應(yīng)力較小，幾乎為零。且大臂與肘部連接處有一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力突變，與周邊其他節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力差別較大。由應(yīng)力分布圖可知腰部應(yīng)力最大，其次為大臂，最小為肘部。

圖6　腰部的應(yīng)力分布圖

圖7　大臂的應(yīng)力分布圖

圖8　肘部應(yīng)力分布圖

2.3各個(gè)部位應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線圖

為了進(jìn)一步了解腰部、大臂和肘部在去毛刺工作過(guò)程中應(yīng)力出現(xiàn)的最大時(shí)刻，就必須要得到各部件應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線圖。利用ADAMS中的Durability模塊，可以查看應(yīng)力點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線圖。表1為腰部在工作過(guò)程中應(yīng)力值最大的6個(gè)節(jié)點(diǎn)，由表1可以看出編號(hào)為286，坐標(biāo)為（40.0277，285，-114.835）的節(jié)點(diǎn)在0.225s時(shí)的應(yīng)力最大，為76.4453MPa，同理可得出其余5節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力信息，從最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布的時(shí)間來(lái)看，在0.2s～0.3s內(nèi)去毛刺機(jī)器人工作時(shí)的應(yīng)力較大。同理可得出大臂在工作過(guò)程中應(yīng)力值最大的6個(gè)節(jié)點(diǎn)，如表2所示，肘部在工作過(guò)程中應(yīng)力最大的6個(gè)節(jié)點(diǎn)，如表3所示。

表1　腰部最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布

表2　大臂最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布

表3　小臂最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布

安全系數(shù)S取1.4，根據(jù)下面式可以計(jì)算得到各部件的許用應(yīng)力為253.6MPa、325MPa、196.4MPa，可以看出腰部及臂部的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，但可進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)到輕量化、高強(qiáng)度、高剛度的目的。

由表可知腰部中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大，同時(shí)也驗(yàn)證了應(yīng)力分析的正確性。在菜單欄Durability下選擇節(jié)點(diǎn)圖選項(xiàng)，在Flexible Body中輸入柔性體名稱，在選擇節(jié)點(diǎn)列表輸入框中輸入節(jié)點(diǎn)編號(hào)286，275，285，274，選擇應(yīng)力選項(xiàng)，如圖9所示。

圖9　Nodal Plot對(duì)話框

進(jìn)入ADAMS后處理繪制曲線模塊（Plotting），繪制出腰部柔性體中對(duì)應(yīng)編號(hào)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，如圖10所示。同理，繪制出大臂、肘部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖11、圖12所示。

由繪制出的曲線圖可知腰部、大臂及肘部在0s～1s內(nèi)應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)力也都出現(xiàn)在該時(shí)間段，這是由于去毛刺機(jī)器人在啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)所造成的，由此可見(jiàn)振動(dòng)對(duì)機(jī)器人的工作壽命，工作精度等有直接的影響。腰部在開(kāi)始工作時(shí)振動(dòng)明顯，最大應(yīng)力為76.4453MPa，當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，所受最大應(yīng)力約為3.6MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限應(yīng)力。大臂在開(kāi)始工作時(shí)振動(dòng)的最大應(yīng)力為29.5376MPa，運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)最大應(yīng)力大約為0.75MPa。由圖12可知小臂編號(hào)為192的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值較其余節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值相差較大，故該點(diǎn)即為小臂應(yīng)力分布圖中應(yīng)力突變的點(diǎn)，該點(diǎn)在小臂開(kāi)始工作時(shí)的振動(dòng)最大應(yīng)力為11.1794MPa，運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力約為1.58MPa，其余節(jié)點(diǎn)平穩(wěn)工作時(shí)的最大應(yīng)力為0.31MPa，小于材料許用應(yīng)力。下面將針對(duì)各部件應(yīng)力分析中存在的不合理現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化。

圖10　腰部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖11　大臂對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖12　肘部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)腰關(guān)節(jié)下方應(yīng)力集中，并且在連接處應(yīng)力較大的分布情況，將腰關(guān)節(jié)下方逐步增厚，角度為10°，同時(shí)在連接處改直角連接為半徑較大的圓弧連接，圓弧半徑為8mm，如圖13所示。針對(duì)大臂肩關(guān)節(jié)處應(yīng)力較大，而肘關(guān)節(jié)應(yīng)力較小的情況，根據(jù)大臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將肘關(guān)節(jié)的半徑適當(dāng)減小，由原來(lái)的50mm減小為42mm，肩關(guān)節(jié)的半徑適當(dāng)加大由原來(lái)的50mm增大為現(xiàn)在的56mm，設(shè)計(jì)成上窄下寬形，既能滿足強(qiáng)度要求，也能達(dá)到輕量化的目的，這種設(shè)計(jì)還有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是大臂的重心將下降，有助于減小大臂對(duì)肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩，改善整機(jī)的振動(dòng)情況，并且在背面設(shè)置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的角度為28°，加強(qiáng)筋與大臂背面的連接處采用半徑為4mm的圓弧連接，以增加剛度和強(qiáng)度，如圖14所示。針對(duì)肘部中應(yīng)力突變的點(diǎn)，應(yīng)在此處設(shè)計(jì)凹切圓角，減少應(yīng)力集中，并且在形狀突變的部位改用半徑為12mm的圓弧代替。針對(duì)肘關(guān)節(jié)右下方應(yīng)力較小，幾乎為零的情況，說(shuō)明此處材料有所多余，應(yīng)切除多余材料，水平方向切除長(zhǎng)度為63mm，垂直方向切除長(zhǎng)度為37mm，肘部水平部位的下方應(yīng)力較小，應(yīng)減小厚度7mm，如圖15所示。由計(jì)算可得優(yōu)化后整機(jī)的質(zhì)量降低了約2.4kg，約占整機(jī)的2.21%，滿足輕量化的目的，并進(jìn)一步改善了整機(jī)的振動(dòng)情況。

圖13　腰部?jī)?yōu)化

【】【】

圖14　大臂優(yōu)化

圖15　肘部?jī)?yōu)化

4　結(jié)論

1）運(yùn)用Pro/E三維軟件建立去毛刺機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，通過(guò)Mech/Pro接口將三維模型導(dǎo)進(jìn)ADAMS中，對(duì)腰部、大臂和肘部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力情況進(jìn)行了分析并針對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果，得到最大應(yīng)力及變形部位在腰部。

2）對(duì)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，以增加剛度和強(qiáng)度，進(jìn)一步減輕質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的，減少手臂部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

[1] Kazerooni H, Bausch J J, and Kramer B M. An Approach to Automated Deburring by Robot Manipulators[J].ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control.1986,(108):354-359.

[2] Bone G M,and Elbestawi M A.Robotic Force Control for Deburring Using an Active End effector[J].Robotica.1989,(7):30-308.

[3] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000:10-20.

[4] 喻偉雄.模具自由曲面自動(dòng)打磨和拋光路徑規(guī)劃技術(shù)研究[D].湖南大學(xué),2005.

[5] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].華中科技大學(xué)出版社,1996:32-35.

[6] 張衛(wèi)榮.M-10iA型FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[7] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].國(guó)防工業(yè)出版社, 2006:171-176.

[8] 于蓬,張為春,王曉.煤礦搶險(xiǎn)機(jī)器人手臂的剛?cè)狁詈戏抡嫜芯縖J].煤礦機(jī)械,2010,12:62-64.

The stress analysis and optimum design of robot deburring

LI Jia-ying1, ZHU Long-ying2, LU Bao-fa1

TP242.2

A

1009-0134(2016)02-0058-06

2015-10-11

李家應(yīng)（1987 -），男，安徽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。