基于有限元分析的打磨機器人設計與性能研究

姚光瑞，喬赫廷，張禹

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引 言

目前我國在工件打磨方面遠遠落后于發達國家，依然是工人使用工具進行打磨、研磨、修銼等方式進行去毛刺和表面處理加工，機械化打磨應用少，打磨精度不足，效率低[1]。國外對拋光打磨機器人研究起源較早，在20 世紀80年代末，工業較發達的日本、德國、美國等國家針對打磨過程中刀具的切削力、刀具路徑、進給速度、材料去除率等關鍵因素進行了深入研究，并由此研發了一系列成熟的打磨設備[2-5]。本文將機床與機械臂結合起來，利用機床的高精度和機械臂的靈活性設計一款打磨機器人。使打磨機器人顯著地提高了打磨效率和打磨質量，同時也大大改善了勞動者的工作條件和產品更新換代的效率，加快了實現工業生產機械化和自動化的步伐。

1 打磨機器人結構設計

本文采用SolidWorks軟件建立三維模型，如圖1所示。該打磨機器人主要由機架、轉臺和刀具組三部分構成[6]；機架是打磨機器人的重要基礎部件，其主要作用是通過直線導軌帶動X、Y、Z軸進行反復直線運動，改變刀具位置并精準定位。本文采用雙層螺栓聯接的機架，其中上下層機架分別采用鋼板焊接結構，并通過角撐板和加強筋進行加強，因此在各個方向上滿足要求。

轉臺主要由伺服電動機、電動機法蘭、減速器、支撐板等零部件組成[7]。伺服電動機裝配在法蘭上面并與減速器相連接，為轉臺提供轉矩并帶動零件繞X軸旋轉，使得打磨機器人能夠進行復雜曲面打磨；轉臺底板通過軸承與左右的支撐板連接，其尺寸根據夾具和打磨工件的空間位置確定；轉臺整體固定安裝在X軸直線導軌上方頂板，為增強其穩定性和強度，在左右支撐板位置增加筋板。

圖1 打磨機器人結構圖

刀具部分由兩個轉動軸和打磨刀具組成。通過A、B軸的旋轉來使銑刀完成任意角度的轉變，刀具能夠單點多角度運動。其中A、B轉動軸的旋轉角度分別為±180°和±90°，重復定位精度可達±1′；打磨刀具采用銑刀，通過轉動軸來帶動銑刀對工件進行多角度打磨。因此X、Y、Z三軸及A、B轉動軸和轉臺構成了一個高效率、高精度、高度智能化的六軸聯動的打磨機器人。

2 打磨機器人有限元預處理

2.1 材料屬性及網格的劃分

為提高機架的剛度和強度，材料選擇45鋼，其材料屬性如表1所示[8]。

本文采用SolidWorks軟件建立的床身三維數字模型，由于定位孔、螺紋孔、圓角和倒角等特征對打磨機器人有限元模型的動態特性影響較小，因此進行刪除或簡化，然后再導入至ANSYS Workbench中[9]。

根據打磨機器人有限元模型，本文網格劃分主要采用六面體網格劃分，針對個別零件采取四面體網格或者自由劃分，并依據各個零件自身的尺寸和位置來確定單元大小尺寸。

2.2 約束及載荷的施加

打磨機器人通過床身上的X、Y、Z三軸帶動刀具組和工件運動，轉臺用來支撐和輔助工件運動。因此打磨機器人的主要載荷包括機器人自重、工件質量和工作載荷。床身下部與地基固定連接，故將其設定為固定約束。本文設計的打磨機器人應用于鑄鐵件打磨，因此載荷大小為1000 N，打磨方向為-Y。

3 打磨機器人靜力學分析

將打磨機器人模型導入ANSYS Workbench中，經過靜力學分析后的結果如圖2、圖3所示。

根據分析結果可知：機架整體結構穩定，幾乎沒有變形。轉臺下面直線導軌和轉臺左右支撐板處有微小變形，但不影響整體性能。主要變形發生在轉臺地板，由兩側向中間逐步加大，最大變形可達88 μm，最大應力可 達 28 MPa。由于45 鋼的屈服極限為355 MPa，28 MPa遠小于屈服極限，因此打磨機器人能夠滿足剛度和強度的要求。

圖2 打磨機器人總變形圖

圖3 打磨機器人應力圖

4 打磨機器人模態分析

因為在加工過程中,打磨機器人會受到多種外界振源（如電動機）的激勵,為了降低自身的振動對加工精度的影響,防止加工過程中出現共振現象,故對打磨機器人進行模態分析。機器人模態分析的約束條件和靜態特性分析的約束條件一致，即將床身底部設定為固定約束。對其進行模態分析，提取打磨機器人前6 階模態。其振型和各階固有頻率如圖4所示[10]。

根據圖4可知，第2、4、6階頻率相對變形大，刀具不夠穩定，則會影響到打磨的精度和穩定性，設計和選取電動機時應該避開這些頻率來減小或消除影響。根據其變形情況，可以通過加大刀具尺寸和增加前后筋板進行優化。

圖4 前6階振型圖

5 結 論

本文對打磨機器人進行了結構設計和動靜態有限元分析，得到了打磨機器人整體方案、關鍵零部件的結構設計，以及打磨機器人的應力應變和前6階固有頻率。由靜力學分析可知，最大變形量為88 μm和最大應力為28 MPa，均在材料所允許的正常范圍內，故打磨機器人在強度和剛度方面上符合要求。通過模態分析，得到了打磨機器人前6階固有頻率及對應的振型，分析了固有頻率對機器人性能的影響，得到了臨界轉速。根據仿真結果可以得出，打磨機器人能夠基本滿足剛度和強度要求，符合設計理念。