六自由度焊接机器人大臂模态分析及优化.pdf

第 2期 2 0 1 6年 2月 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M a n u f a c t ur i n g Te c h ni q ue NO 2 Fe b 2 01 6 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 6 0 2 0 0 3 6 0 3 D O I 1 0 1 3 4 6 2 j c n k i m m t a mt 2 0 1 6 0 2 0 1 1 六 自由度焊接机器人大臂模态分析及优化 水 林义忠 廖继芳 刘庆国 徐俊 广西大学 机械工程学院 南宁5 3 0 0 0 4 摘要 针对六 自由度焊接机器人大臂的结构特点 运用有限元分析方法 建立了大臂的有限元计算模 型 进行模态分析 给 出了大臂前六阶 固有频率和相应振型 对影响大臂动静 态特性的结构参数进 行灵敏度分析 确定了大臂主要结构参数对低价固有频率 最大变形量和质量的影响规律 指出大臂 的结构优化方向 通过改变结构参数对大臂进行优化 改善了大臂的动静态性能 减轻了大臂的质 量 为机 器人其它零部件的优化提供 了可借鉴的方法 关键词 焊接机器人 模态分析 w o r k b e n c h 优化设计 中图分类号 T H1 6 6 T G 6 5 9 文献标识码 A M o da l Ana l y s i s a n d Opt i mi z a t i o n De s i g n o f t he Ar m o f 6 DOF W e l d i n g Ro bo t L I N Y i z h o n g L I A O J i f a n g L I U Q i n g g u o X U J u n M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e G u a n g x i U n i v e r s i t y N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e o f the a r m o f 6 一 D O F w e l d i n g r o b o t t h e fi n i t e e l e me n t F E mo d e l wa s e s t a b l i s h e d a n d the mo d e a n a l y s i s o f t h e a r n l wa s p r e s e n t e d b y me a n s o f FE me tho d Th e fir s t s i x n a t u r a l f r e q ue n c i e s a n d mo d e s ha p e s o f the a r n l we r e g i v e n An d t h e s e n s i t i v i t y a n a l ys i s b a s e d o n s t a t i c a n d d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f the s t r u c t u r a l p a r a me t e r s o f t h e a r n l wa s p e r f o rm e d F u r t h e rm o r e the v a r yi ng r u l e s o f the fir s t s i x n a t u r a l f r e q u e n c i e s t h e ma x i mu m d e f o r ma t i o n an d q ua l i t y a f f e c t e d b y the v a l u e o f the c h i e f s t r u c t u r a l p ara me t e r s o f the a nn we r e c o n firm e d a n d t h e o p timi z a t i o n dir e c tio n o f the a r n l wa s p o i n t e d o u t Fi n a l l y the a r l T l wa s o p ti mi z e d b y mo dif y i n g t h e s t r u c t u r a l p a r a me t e r s As a r e s u l t the s t a tic a n d d y n a mi c p e rfo rm a n c e s o f the a r i n are i mp r o v e d a n d the q u a l i t y o f the a r l n wa s r e d u c e d A f e a s i b l e me tho d f o r the o p t i mi z a t i on d e s i g n o f r o b o t p a r t s wa s o f f e r e d Ke y wo r d s we l d i n g r o b o t mo d a l a n a l y s i s wo r k b e n c h o p t i mi z a t i o n d e s i g n O 引言 焊接机器人 除了必须具有 良好的可靠性 适 当 的工作空间外 其整体结构的静态特性和动态特性满 足要求 尤其是动态特性 直接关系到机器人的工作时 可靠性 稳定性 传统的结构设计 只考虑机器人的静 态特性 对动态因素的考虑较少 考虑结构动态因素 时 以经验修改几何参数和反复测试其性能为主要手 段 这大大降低设计的效率 延长设计周期 增加设计 成本 在设计阶段 借 助 C A E软件 能有效模拟分析 机器人整机结构的动静态性能 评定机器人结构设计 方案的优劣 提高机器人的一次性设计成功率 模态分析用于求解设计结构或机器零部件的振动 特性 即固有频率和振型 通过模态分析 设计者可以 发现机械系统的薄弱模态和主振部件 改进结构 使结 构避免共振 避免事故的发生 模态分析方法包括两大类 即有限元分析法 和 振动实验法 在机器人的结构设计 阶段 利用有限 元方法进行模态分析对发现结构设计 的缺陷 改进设 计方案 减小产品制造失败率等方面具有重要的意义 文中采用有限元分析法对机器人大臂结构进行模态分 析 给出其固有频率和振型 指出结构中相对薄弱的环 节 对其进行优化设计 并进行动静态特性校验 结果 表明 改进是可行的 1 有 限元模态分析理论 对具有连续质量的零部件用有限元法进行模态分 析 先对该零部件离散 建立由有限个单元组成的模 型 求解出各单元刚度矩阵 K 和质量矩阵 M 通过 节点与单元间的相互关系 对所有单元的刚度 质量矩 阵进行计算 得到零部件的总刚度矩阵 K 和总质量 矩阵 对于包含小阻尼结构的线性动力学系统 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 1 6 修回 日期 2 0 1 5 0 4一l 0 基金项目 广西壮族 自治区科技攻关项 目 1 3 4 8 0 1 2 1 0 广西 自然科学基金项 目 2 O 1 3 G x N s F AA 0 1 9 3 1 4 作者简介 林义忠 1 9 6 4 一 男 内蒙古包头人 广西大学教授 工学博士 研究方向为工业机器人技术 机电计算机控制 E ma i l x a u t l y z 1 6 3 4 2 组合机床与 自动化加工技术 第 2期 P I1 1 m V l 2 ml m2 g 1 2 3 4 3 7 N P l2 寺 1 2 2 5 O 0 N P a 专 l z 2 1 2 2 4 5 5 N I I 阶段 为简化运算 该 阶段 忽略惯性负载 的作 用 将此处负载近似为线性变化负载 一 扣 扣 4 7 2 5 N 扣 一 1 7 2 5 N P 晓 I p 2 m in 2 P 2 3 7 2 5 N I I I 阶段 负载情况与 I 阶段相似 可得 Pc 3 1 2 2 4 5 5 N I V阶段 扣 4 1 6 m m 厶2 L一厶1 一 3 2 9 9 1 6 8 mm P 4 1 1 2 7 1 8 7 N P 4 l2 2 5 N P 43 寺 一 1 1 7 8 1 2 N P c 4 1 L4 l Lap3 a P 1 2 2 5 O ON 那么整个过程平均载荷 P c 壶 厶 厶 屹 厶 屹 2 4 2 7 2 2 N 根据工作条件 取系数 1 1 0 8 1 1 在这种工况下 该滑块的寿命则为 5 0 2 5 0 2 8 6 k M L 一 z u k M 再同理计算其他滑块寿命 取最小值作为该龙门 铣床的额定寿命 5 结论 随着滚动直线导轨副在工业生产中愈加广泛的应 用 导轨副的正确选用逐渐成为主机设计人员都要面 临的问题 本文对滚动直线导轨副所受各类负载进行了分类 和描述 并简要阐述了单一变化负载作用时传统 的导 轨选型计算方法 考虑到实际工况中 不同行程段中 可能存在不同变化特性 的负载 提 出了在多变化负载 条件下平均载荷的等效算法 并给出算例 为导轨的设 计和选用提供了理论依据 参考文献 1 姜大志 应强 孙俊兰 滚动直线导轨的受力分析与载荷 计算 J 机床与液压 2 0 0 8 3 6 4 2 7 0 2 7 5 2 徐起贺 孙健利 滚动直线导轨副一般载荷下额定寿命的 计算 J 现代机械 2 0 0 2 1 2 4 2 6 2 8 3 李传印 孙健利 滚动直线导轨寿命影响因素研究 J 制造技术与机床 1 9 9 8 8 1 1 1 3 4 徐起 贺 精密滚动直线导轨系统额定寿命计算的研究 J 河南机电高等专科学校学报 2 0 0 4 3 2 4 2 5 6 2 5 梁瑜洋 王益轩 高丹 等 数控龙门铣床主结构静动态特 性分析 J 西安工程大学学报 2 0 1 4 2 8 6 7 3 5 7 3 9 6 王全校 严耕远 H J G循环式滚动直线导轨副的安装和选 用 J 机床 1 9 8 7 3 2 2 2 7 7 朱艳芳 组合机床动力滑台滚动导轨受力分析与服役寿 命的计算 J 安阳大学学报 综合版 2 0 0 4 1 1 9 2 2 8 F e i Wa n g Y o n g h o n g L i u Z h i l i C h e n D e s i g n o f T h r e e a x i s E D Mi l l i n g M a c h i n e B a s e d o n t h e P MA C Mo t i o n C a r d J J o u mal o f C o m p u t e r s 2 0 1 2 7 1 0 2 4 9 6 2 5 0 2 9 李凯岭 机械制造技术基础 M 北京 清华大学出版社 2 O1 0 1 O 张飞 大型龙门铣床关键件的动态测试与分析 D 北 京 北京工业大学 2 0 0 9 编辑赵蓉 上接第 3 8页 D O E模块进行大臂动静特性优化设 计 其 固有频率提高 同时保持 良好 的静力学特性 达 到优化设计的预期 目的 4 模态分析可作为试验模态分析选择传感器 布置测试点等参考 同时 可作为瞬态动力学分析 的 基础 参考文献 1 宋金虎 焊接机器人现状及发展趋势 J 现代焊接 2 0 1 1 3 2 4 2 6 2 程丽 刘玉旺 骆海涛 等 1 6 5 k g 焊接机器人有限元模态 分析 J 机械设计与制造 2 0 1 2 1 1 4 7 1 4 9 3 陈黎卿 陈无畏 王钰明 等 智能四驱汽车分动器有限元 分析与模 态试验 J 中国机械工程 2 0 1 3 2 4 1 6 2 1 6 8 2 1 9 4 4 张力 刘斌 机械振动实验与分析 M 北京 北京交通 大学出版社 清华大学出版社 2 0 1 3 5 G w a n g J o C h u n g D o o H u y u n g K i m S t r u c t u r a l a n al y s i s o f 6 0 0 k g h e a v y d u t y h a n d l i n g r o b o t C R o b o t i c s A u t o m a t i o n a n d Me c h a t roni c s S i n g a p o r e 2 01 0 6 许小荣 P r 0 E N G I N E E R Wi l d f i r e 4 0中文版零件设计技 术指导 M 北京 电子工业出版社 2 0 0 8 7 梁建术