基于Ansys Workbench的龍門架機械手結構動力學分析

郭北濤，代國輝

(沈陽化工大學 機械與動力工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

如今，工業(yè)制造生產(chǎn)中工業(yè)機器人隨處可見。龍門架機械手做為工業(yè)機器人的一種,具有高擴展性、超大行程、高負載性、高效率、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-3]. 在使用過程中，共振現(xiàn)象會對龍門架機械手產(chǎn)生極大危害，應避免在共振頻率下工作。本文通過建立龍門架機械手的三維模型進行分析，得出在外界激勵下龍門架機械手的危險工作頻率，以指導工業(yè)生產(chǎn)。

1 建立龍門架機械手有限元模型

1.1 三維模型建立

利用SolidWorks建立龍門架機械手的三維模型，如圖1所示，通過x、y、z方向的移動定位并抓取工件。由于復雜的模型會導致Ansys Workbench分析計算量變大，也會導致求解出錯[4],故將龍門架機械手三維模型進行簡化處理，簡化后的龍門架機械手模型見圖2.

圖1 龍門架機械手模型圖

圖2 簡化后模型圖

1.2 有限元模型建立

將簡化后的龍門架機械手模型保存為.step格式并導入workbench里的modal(模態(tài)分析)模塊中。先在材料庫中定義所需的材料，本文研究的龍門架機械手4個支撐腿定義為結構鋼，其余x、y、z軸機械架定義為鋁合金。網(wǎng)格劃分尺寸設置為10 mm，既保證了求解精度，也減少了計算量，求解后共有309 531個節(jié)點，89 196個單元。

2 模態(tài)分析

工業(yè)制造設計中，可以通過模態(tài)分析方法，提前對設計工件的結構振動進行初步了解，從而避免工件發(fā)生共振現(xiàn)象，使工件內(nèi)部結構損壞。同時，可通過模態(tài)分析的結果，對工件進行結構優(yōu)化，達到使用壽命更長，結構更堅固的要求。

將網(wǎng)格劃分后的有限元模型添加約束，本文是對4個支撐腿添加圓柱形支撐，見圖3. 忽略預應力，將求解最大模態(tài)階數(shù)設置為10階，求解后得出的龍門架機械手前十階固有頻率見表1.

圖3 一階振型模型圖

表1 前十階固有頻率表

一般情況下，機械結構受低階頻率影響較大，因此，選取前六階模態(tài)振型作為分析對象[5]. 前六階模態(tài)振型圖見圖4,5,6,7,8,9.

圖4 一階振型圖

圖5 二階振型圖

圖6 三階振型圖

圖7 四階振型圖

圖8 五階振型圖

圖9 六階振型圖

由圖4—9可以看出，一階、二階、五階振型圖主要以彎曲變形為主，其中一階振型是4個支撐腿向x方向彎曲，最大變形量為3.137 mm；二階振型是4個支撐腿向y方向彎曲，最大變形量為3.540 mm；五階振型是z軸機械手彎曲，最大變形量為9.350 mm. 三階、四階、六階振型圖以扭轉變形為主，其中三階振型是向x負方向扭轉，最大變形量為3.744 mm；四階振型前面兩支撐腿向內(nèi)側，后面支撐腿向外側，最大變形量為5.127 mm；六階振型是向x正方向扭轉，最大變形量為5.116 mm. 由上可知，五階變形量最大，實際工作頻率中應避免。

3 諧響應分析

模態(tài)分析得出的工作危險頻率是在龍門架機械手各部件之間的振動，并沒有外界激勵的情況，而在實際工況中外部激勵是不可避免的。為了確定施加外部激勵后龍門架機械手的振動情況，采用諧響應分析法，對龍門架機械手施加簡諧力的振型進行求解，從而更加準確地確定龍門架機械手的危險工作頻率。

在模態(tài)分析的基礎上，將Harmonic Response模塊與Modal模塊求解的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，模態(tài)分析最大固有頻率應大于諧響應分析最大頻率的1.5倍，模態(tài)分析求解出的第十階固有頻率為170.75 Hz，則諧響應分析的最大頻率設置為100 Hz，求解方案間隔設置為100，則諧響應分析掃描頻率是1～100 Hz. 本文龍門架機械手夾取工件為15 kg，故在z軸機械手上施加150 N的力，見圖10.

圖10 施加簡諧力圖

分別求解龍門架機械手在x、y、z方向的頻率響應變形圖，圖11、12、13分別為x、y、z方向頻率響應位移圖，其中x方向振幅為3.644×10-6～9.8×10-3mm；y方向振幅為8.858×10-5～9×10-2mm；z方向振幅為2.662×10-3～1.159 mm. 由圖11可以得出龍門架機械手在x方向最大振幅發(fā)生在39 Hz，最大振幅為0.009 8 mm，十分接近一階固有頻率；在y方向最大振幅發(fā)生在95 Hz，最大振幅為0.09 mm，與五階固有頻率接近；在z方向最大振幅也發(fā)生在95 Hz，最大振幅為1.159 mm，接近五階固有頻率。故在外界激勵下，龍門架機械手在一階、五階固有頻率下容易發(fā)生共振，造成工件損壞，而且在z方向變形量最大。因此，實際使用中應避免一階39.02 Hz、五階95.08 Hz頻率范圍。

圖11 x方向位移響應曲線圖

圖12 y方向位移響應曲線圖

圖13 z方向位移響應曲線

4 結 論

本文通過利用SolidWorks建立龍門機械手的三維模型，將模型簡化后進行有限元動態(tài)特性分析，經(jīng)模態(tài)分析后求解出龍門架機械手前十階固有頻率及各個頻率對應的振型圖，其中五階固有頻率變形量最大。最后再利用諧響應分析法，求解龍門架機械手在外界激勵情況下的頻率位移關系圖，從而得出危險工作頻率，實際工作中應避免二階固有頻率39.02 Hz、五階固有頻率95.08 Hz.