基于ANSYS的機器人系統(tǒng)龍門行走裝置有限元分析

張毅勃

（河鋼股份有限公司唐山分公司一鋼軋廠，河北 唐山 063016）

1 概述

數(shù)據(jù)驅(qū)動機器人系統(tǒng)主要應(yīng)用于焊接底座類焊接件，根據(jù)產(chǎn)品多年的使用反饋，發(fā)現(xiàn)該焊接系統(tǒng)在啟動制動過程中震動比較大，對焊縫的質(zhì)量有影響，所以說，其還有較大的改進空間。因此，考慮機器人在保證焊接系統(tǒng)強度、剛度的基礎(chǔ)上，進一步減小焊接過程中產(chǎn)生的震動[1-4]。

機器人焊接時需要X軸、Y軸參與動作，但這樣容易產(chǎn)生抖動。機器人傳感時快速回退振幅最大可達10 mm，嚴(yán)重影響使用和工作效率，所以，現(xiàn)在只能降速使用，現(xiàn)在現(xiàn)場速度約為X＝4.8 m/min，Y＝Z＝2.4 m/min，但還是會對焊縫成型造成影響。

為了減小工作時產(chǎn)生的震動，我們通過對焊接系統(tǒng)進行靜力學(xué)分析和動力學(xué)分析，使其在最大速度2/3時槍尖的振幅小于2 mm，并在2 s之內(nèi)不再抖動。

2 設(shè)備現(xiàn)有參數(shù)

X軸：行程＝12 m，速度＝0～15 m/min，加速度為機器人系統(tǒng)內(nèi)設(shè)，只能在0%～100%變更。

Y軸：行程＝5 m，速度＝0～15 m/min，加速度為機器人系統(tǒng)內(nèi)設(shè)，只能在0%～100%變更。

Z軸：行程＝3.2 m，速度＝0～15 m/min，加速度為機器人系統(tǒng)內(nèi)設(shè)，只能在0%～100%變更。

由于龍門行走裝置在啟、制動情況下焊接機械手焊槍端振動比較大，對焊接質(zhì)量有影響，所以，此系統(tǒng)目前只能降速使用，降速幅度達到50%，嚴(yán)重影響工作效率。

3 靜力學(xué)分析

3.1 三維模型

根據(jù)原始模型和各個方案建立了可供ANSYS分析的三維模型。圖1為原始模型，圖2為方案一（四立柱）模型，圖3為方案二（八立柱）模型。

圖1 原始模型

圖2 方案一（四立柱）模型

圖3 方案二（八立柱）模型

圖4 原始模型Z方向靜力變形

圖5 方案一（四立柱）Z方向靜力變形

圖6 方案二（八立柱）Z方向靜力變形

3.2 靜力學(xué)對比

通過對比各個模型在自身重力作用下豎梁與機械手連接法蘭處Z方向位移，驗證改進模型和增加立柱對Z方向剛度的影響。原始模型Z方向靜力變形如圖4所示，方案一（四立柱）Z方向靜力變形如圖5所示，方案二（八立柱）Z方向靜力變形如圖6所示。分析可得，原始模型通過自重法蘭處下降1.324 cm，方案一（四立柱）模型下降1.011 cm，方案二（八立柱）模型下降1.066 cm。通過改進模型行走橫梁，對模型Z方向剛度都有提升，方案一提升24%左右，方案二提升46%左右，而增加立柱對Z方向剛度的提升效果不明顯。

4 動力學(xué)分析

4.1 施加模擬載荷

對橫車梁及其梁上組件施加X方向加速度載荷，模擬橫車啟動時的沖擊載荷[5，8]，載荷施加部位及載荷曲線如圖7、圖8所示。

圖7 載荷施加部件

圖8 載荷曲線

圖9 原始模型X方向位移-時間圖

圖10 方案一（四立柱）X方向 位移-時間圖

圖11 方案二（八立柱）X方向位移-時間圖

在0.25 s時間段內(nèi)施加漸變的加速度，模擬橫車速度達到250 mm/s。橫車和豎梁升降機構(gòu)同時位于整個機構(gòu)中間部位，機械手位于Z方向行程最低位，通過整個機構(gòu)在沖擊載荷作用下豎梁上與焊接機械手連接法蘭處的X方向的位移-時間圖和整個機構(gòu)總位移圖[9，12]，比較各個改進方案。

4.2 原始模型及各個方案結(jié)果

圖9、圖10、圖11為各個方案豎梁上與焊接機械手連接法蘭處的X方向的位移-時間圖。原始模型及各方案豎梁與焊接機械手連接法蘭處X方向位移-時間圖中關(guān)鍵點具體數(shù)值及結(jié)果對比如表1、表2所示。

5 結(jié)論

經(jīng)過分析，得出以下2個結(jié)論：①增加4個立柱對龍門裝置橫梁靜態(tài)變形影響不大，但有利于減少整個龍門裝置的啟、制動情況下的振幅；②運用有限元法可以定性分析機構(gòu)不同改進方案的振動幅值，對改進方案的可行性判斷有重要的參考意義，能夠為改進機構(gòu)振動提供支持。

表1 原始模型位移-時間圖關(guān)鍵點數(shù)值

表2 原始模型及各個方案結(jié)果對比

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