基于ANSYS的六自由度工業機器人靜力學分析

（山西機電職業技術學院，長治 046011）

0 引言

工業生產中，六自由度機器人的應用非常普遍，工業機器人零部件的微小變形，會對機器人的精度產生影響，六自由度機器人的制造成本較高，開發周期較長，數值模擬能夠極大縮短開發周期，同時找到更加合理的設計方案[1～3]。使用Pro/E軟件確定機器人各個零部件的質量和相對位置，計算求得各個部分的載荷大小，在ANSYS中模擬，能夠直觀展現旋轉座、擺動臂、擺動關節、旋轉臂的應力和應變圖[4,5]。

1 六自由度機器人模型建立

1.1 建立幾何模型

六自由度機器人結構復雜，利用等效剛度代換理論，忽略線路、電位器、導線管等對計算結果影響不大的部件，將簡化后的旋轉座、擺動臂、擺動關節、旋轉臂作剛性一體化處理[6～8]，得到機器人模型如圖1所示。

1.2 定義模型材料及網格劃分

六自由度機器人安裝底座使用耐磨性好的HT 250灰鑄鐵，旋轉座、擺動臂、擺動關節與旋轉臂均采用線收縮小的ZL 108，材料屬性如表1所示。使用ANSYS Workbench網格劃分工具對旋轉座、擺動臂、擺動關節、旋轉臂分別進行網格劃分，節點數和單元數如表2所示，網格劃分情況如圖2所示。

圖1 六自由度工業機器人模型

圖2 機器人零件網格劃分結果

表1 機器人零件材料屬性

表2 各零部件網格節點數與單元數

2 六自由度機器人零部件靜力學分析

2.1 施加載荷

機器人的末端執行器在水平位置的位移量最大，選取該位置進行分析。由于自身重力，機器人各部分位置不同，受力也不同。以擺動關節為例，豎直方向受到機器人旋轉臂和腕關節的作用，總質量為3.549kg，力的大小為49.490N，端面面積為0.003383m3，產生的壓力為0.01463MPa，在Pro/E中測得力的作用點距離擺動臂端部沿臂展方向的距離為98.26mm，產生4863N·mm的力矩。各部分的受力大小如下表3所示。

表3 機器人零件載荷大小

2.2 應力分析

無預加載荷狀態下，得到機器人零部件的應力分布云圖3和應力大小表4。

圖3 重力作用下的應力分布云圖

表4 重力作用下的應力大小

從圖3和表4可以看出，在無荷重時，機器人零部件中，旋轉座的最大應力為0.76352MPa，擺動臂的最大應力為1.0513MPa，擺動關節的最大應力為0.31246MPa，旋轉臂的最大應力為0.37608MPa，擺動臂承受的應力最大，為1.0513MPa，危險位置在與旋轉座連接處圓形端面的右側邊緣，擺動關節承受的應力最小。最大應力均遠遠小于ZL 108的許用應力。

2.3 應變分析

載荷和約束施加到擺動臂上后，進行求解，得到擺動臂無荷重下的總形變位移分布圖4和應變大小表5。

圖4 重力作用下的總應變分布云圖

表5 重力作用下的應變大小

從圖4和表5可以看出，無荷重時，機器人旋轉座的最大形變量為0.00079073mm，擺動臂的最大形變量為0.0040107mm，擺動關節的最大形變量為0.00031286 mm，旋轉臂的形變量為0.00035741mm，相比之下，擺動臂的應變最大，對于機器人精度的影響更大，應變最大的位置在擺動臂右側頂端。

3 結論

建立了六自由度工業機器人模型，使用Pro/E軟件得到機器人模型各個部分的質量、質心、坐標數據，使用ANSYS對機器人進行靜力學分析，獲得了機器人旋轉座、擺動臂、擺動關節、旋轉臂的應力和應變的變化規律。結果表明，在無荷重時，機器人零部件中擺動臂承受的應力最大，為1.0513MPa，危險位置在與旋轉座連接處圓形端面的右側邊緣，擺動關節承受的應力最小；無荷重時，六自由度機器人擺動臂的應變最大，為0.0040107mm，位于擺動臂右側頂端。