基于ANSYSWORKBENCH的帶電作業機械臂模態探究

陳柏希 段紹全 王斐宏 蔡文輝

摘 要：在帶電作業姿態下，機械臂是配電網作業機械的主要執行者，機械臂的性能直接決定了機器人工作質量與效率，開展工作的可靠性等。本文借助Pro軟件或Engineer軟件，建設了在兩種典型位姿下機械臂的實體模型，運用ANSYSWORKBENCH軟件，設定為預荷載狀況，對不同位姿下結構靜力學的特性，其模態特征等開展分析。在模態分析結果基礎上，實施動力學前饋補償，自主控制機械臂的振動，抑制其工作過程內的振動現象，確保工作開展效率與質量。

關鍵詞：ANSYSWORKBENCH;機械臂;振動抑制;模態分析

自經濟全球化發展，人們對電力供應提出了更高的要求。在電力系統研究中，帶電作業屬于重要領域，其作業標準與質量直接關系著國家供電技術與供電實力。就實際情況而言，人工帶電作業本身困難較大，卻存在著較大的局限性。此方面機器人的開發與研究十分有必要[1]。自20世紀80年代中期開始，國外很多國家開始了帶電作業機器人的研究，走在前沿的當屬日本、美國、西班牙與加拿大。我國是20世紀90年代才開始的相關研究，但經過短短的幾年，已經取得了較大的研究成果。

有限元分析法在近代工程內得到了廣泛的應用，主要集中進行數值模擬，可靠性比較明顯。本文主要選擇的是有限元ANSYSWORKBENCH軟件開展分析，深入剖析機械臂整體結構[2]。選擇最大水平伸展、最大垂直伸展位姿，開展ANSYSWORKBENCH分析。在分析試驗過程中，綜合考慮機械臂的實際持重情況，并施加預荷載。通過分析機械臂模態仿真，獲得兩種典型位姿下，機械臂的6節模態振型。在仿真結果基礎上，探索抑制機械臂振動的有效措施——動力學前饋補償。

作為帶電作業下的主要執行機構，機械臂本身的性能直接影響著作業安全與質量。因此，對帶電作業機械臂機械性能的分析，具有十分重要的現實意義。本文主要探討的是ANSYSWORKBENCH軟件下，帶電作業機械臂模態，詳細分析如下。

1 帶電作業機械臂模態分析

1.1 有限元模型的建立

帶電作業下的機械臂本身擁有6個自由度，其組成結構比較復雜。在進行模型建立過程中，需要結合等效剛度代換理論，處理具體的結構，并對其簡化。筆者結合實際與文獻資料，認為帶電作業條件下的機械臂，其等效簡化主要包含以下三點：

（1）可以將各種連接、各種配合簡化，比如，可將齒輪、嚙合簡化，分解為軸與孔，通過將螺栓與鍵之間的連接簡化，以此轉換為面接觸。

（2）可將螺紋與倒角的特征忽略掉，將電位器與相應的固定構件忽略掉，并將其構件與線路忽略掉。不僅如此，還可以將空特征、臺特診忽略掉，以此開展質量的等效分布。

（3）結合液壓系統的特點，選擇等效配重原理，有效簡化馬達、液壓缸及管路。通過開展適當的簡化，可建設最大水平伸展、最大垂直伸展典型姿態下的機械臂模型[3]。在最大水平伸展位姿下，大臂關節與肩部關節之間的角度可保持到60°，機械臂此刻的最大承重為45kg。在最大處置伸展位姿下，肩關節為俯仰姿態，角度為120°，此階段機械臂最大的持重為82.0kg。

1.2 模態仿真

在開展機械臂仿真前，需要先定義材料屬性，分析連接關節的類型。就機械臂上的各個構件，在對材料開展屬性加載時，應當綜合考慮建模過程中，結構的簡化問題。就機械臂連軸部位、夾持手部位的材料，可選擇不銹鋼。關節通過面約束實現，綜合考慮機械臂的結構特點。

本文選擇的是Bonded、No Separation兩種面對機械臂各個構件進行約束，接觸面進行約束。選擇CFD模式，網格劃分機械臂，其粗細均選擇-50，劃分連接軸部分。

本文就機械臂連軸部分與夾持手部分彈性模量選擇的是193GPa，泊松比設置的為0.31，密度設置為7750kg/m3;其他部分為71GPa，0.33，2770kg/m3。網格劃分節點數為62180，單元數為243508，其結構如下圖1所示。

1.3 仿真結果的分析

（1）結構靜力學，通過分析機械臂結構靜力學方針，可獲得機械臂最大水平伸展時的壓強（99.24MPa），強度集中在肩關節、大臂關節連接位置。機械臂最大垂直伸展壓強（4381MPa），強度集中在大臂關節與小臂關節連接位置。關節連接部位是不銹鋼材料，最大壓強極限為200MPa，比機械臂實際工況承受壓強大很多，整體結構可滿足工作要求[4]。手抓關節位置出現了最大位移，展現了關節變形情況與疊加情況。手抓關節最大位移為3.8874mm，規定最大伸展位移0.43246mm，已經超出了規定值。機械臂在開展基線工況時，要朝著水平方向伸展。

（2）模態仿真，通過分析下表，下表模態振型數據可得知。①在同一位置與姿勢下，若在規定的承重范圍內，是否需要增加機械臂的荷載，是否會對固有頻率產生影響等問題，完全可以忽略，主要是因為外加荷載對機械臂自身的固有頻率影響微乎其微。②不同位置與姿勢下，在其持重范圍內，機械臂自身固有頻率變化，振型變化不大，隨著階數的增加，使得其變化也愈發明顯。可得知機械臂屬于裝配體，其位置與姿勢對固有頻率、振型會產生相應的影響，但是若階數處于較低標準時，其影響不大。

2 振動控制手段

機械臂本身的1階、2階固有頻率較低，自主控制實現所帶來的影響更加明顯。為有效抑制機械臂的振動，可選擇動力學前饋的補償控制方案。借助滯整形過濾器模塊，動力學前饋的補償器模塊共同組成的振動控制系統。本身結構比較簡單，可更好的實現。如下圖2所示，整形器接收到的路徑控制器信號，機械臂傳導的振動脈沖信號，驅動器輸出整形后的信號，能夠同時為驅動系統提供動力學補償。

3 結語

綜上所述，本文是在等效剛度基礎上，虛擬建模機械臂結構，可確保模態仿真的真實性與可靠性。使得連接與傳統也實現了等效，但只能獲得某一部分的整體情況。

通過建設機械臂的預荷載模態，可實現工作情況的真實模擬與仿真，確保數據的可靠性，結構的最優化，驗證了該機械臂結構的合理性。

就機械臂的固有頻率，對主動控制有顯著的影響，可有效抑制振動，促使其高效工作。

可見，在ANSYSWORKBENCH軟件基礎上，開展帶電作業機器人相關探究，切實可行。

參考文獻：

[1]趙生傳，趙玉良，李明，許崇新，趙閱群.帶電作業機器人遙操作主從冗余機械臂研究[J].電工技術，2019（11）：58-60.

[2]馬孝林.高壓帶電作業機器人作業機械臂的ANSYSWORKBENCH設計及優化[D].山東建筑大學，2018，28（06）：22-25+34.

[3]姜振廷，鄭忠才，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度機械臂有限元分析及結構優化[J].制造業自動化，2018，36（01）：109-110+123.

[4]李健，姜振廷，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的帶電作業機械臂模態分析及振動控制[J].制造業自動化，2018，36（01）：48-51+65.

項目名稱：配網帶電作業智能機械臂關鍵技術及應用研究（項目編號：050100KK52170012）