鑄件切割打磨機器人工作臂關鍵部件有限元分析

居多柱

摘要：為保證鑄件切割打磨機器人工作臂關鍵部件強度和零件材料選擇的合理性，運用ANSYS Workbench軟件對鑄件切割打磨機器人工作臂關鍵部件進行靜力學分析，有限元分析結果表明：砂輪切削打磨裝置進行曲面切削打磨，承受左三向力極限載荷時，最大位移變形量為0.29332mm，發生在打磨頭;最大等效應力為85.45MPa，發生在打磨頭與打磨頭固定位置左上側，即結構強度和剛度滿足砂輪切削打磨裝置工作要求，為鑄件切割打磨機器人結構設計和強度校核提供了參考。

Abstract： In order to ensure the rationality of the strength and material selection of the key components of the working arm of the casting cutting and grinding robot， the static analysis of the key components of the working arm of the casting cutting and grinding robot was carried out by using ANSYS Workbench software. The results of the finite element analysis show that the maximum displacement deformation of the grinding wheel cutting and grinding device is 0.29332 when it is subjected to the limit load of the left three-way force The maximum equivalent stress is 85.45MPa， which occurs at the upper left side of the fixed position between the grinding head and the grinding head， that is， the structural strength and stiffness meet the working requirements of the grinding wheel cutting and grinding device， which provides a reference for the structural design and strength check of the casting cutting and grinding robot.

關鍵詞：切割打磨機器人;混聯結構;TRIZ;有限元

Key words： cutting and grinding robot;hybrid structure;TRIZ;finite element analysis

中圖分類號：TO242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0052-02

0? 引言

近年來，機器人技術迅速發展，促進了加工制造產業自動化程度的提高。對于工業產品來說，在加工制造時對產品的表面精度有著較高要求，為適應這些要求，通常在眾多的加工工序中往往會安排光整加工，而磨削加工即是提高工件表面質量的重要加工方法之一[1]。謝同雨[2]等設計了一種由多個模塊構成的蛇形管道打磨機器人，驗證了蛇形管道打磨機器人的通過性并得出機器人在管道內部前行的最佳匹配。許家忠[3]等針對復合材料工件表面打磨的機器人主動柔順恒力控制問題，提出一種基于位置控制的自適應阻抗控制方案。崔國華[4]等設計了一種新型的自行走式端口打磨機器人并進行了力學分析。朱偉[5]等設計了一種3轉動輸出的3SPS+S仿腕關節柔性并聯打磨機構，建立了機構運動方程，并得到了柔性支鏈變形量與動平臺姿態的關系。

針對工業產品表面質量的提高，本文基于TRIZ創新設計理論[6]（Theory of the Solution of Inventive Problems）設計出一款鑄件切割打磨機器人混聯工作臂，并運用ANSYS Workbench有限元軟件[7]對工作臂切削打磨裝置進行靜力學分析。

1? 鑄件切割打磨機器人工作臂結構設計

根據TRIZ理論發明原理5組合原理，將鑄件切割打磨機器人運動機構的并聯機構（并聯工作臂）再組合一個串聯機構（可旋轉的切削打磨裝置），構成混聯工作臂，如圖1所示。

2? 切削打磨裝置有限元分析

2.1 前處理設置

運用ANSYS Workbench軟件對機器人混聯工作臂切削打磨裝置進行有限元分析，將切削打磨裝置STEP格式文件導入靜力學模塊中建立耦合關系，如圖2所示。

2.1.1 材料參數設置

切削打磨裝置末端工具采用金剛石磨料和樹脂結合劑組成砂輪，其他材料采用牌號為ZG230-450（GB）的鑄鋼，其材料參數如表1所示。

2.1.2 網格劃分

采用全局網格控制和參數設置方式，在Mechanical Modeler界面中對機器人切削打磨裝置進行細化，得到網格劃分圖，如圖3所示。

2.2 靜力學分析結果

砂輪切削打磨裝置進行曲面切削打磨時，承受左三向力極限工況設置如圖4所示，求解結果如圖5所示。

由圖5（a）的可知，砂輪切削打磨裝置進行曲面切削打磨，承受左三向力極限載荷時，最大位移變形量為0.29332mm，發生在打磨頭;由圖5（b）可知，極限載荷下的最大等效應力為85.45MPa，發生在打磨頭與打磨頭固定位置左上側，且砂輪切削打磨裝置進行曲面切削打磨，承受左三向力極限載荷時最大等效應力小于材料許用應力，故裝置工作安全，材料選擇合理。

3? 總結與展望

本文運用ANSYS Workbench軟件對鑄件切割打磨機器人工作臂關鍵部件進行靜力學分析，確保機器人混聯工作臂進行切削打磨工作時工作穩定，結構安全可靠，為鑄件切割打磨機器人結構設計和強度校核提供參考。

參考文獻：

[1]姚光瑞.打磨機器人結構設計及有限元分析[D].沈陽工業大學，2020.

[2]謝同雨，李清，丁煜文，等.多模塊蛇形管道打磨機器人的設計與分析[J].機器人，2020，42（06）：672-685.

[3]許家忠，鄭學海，周洵.復合材料打磨機器人的主動柔順控制[J].電機與控制學報，2019，23（12）：151-158.

[4]崔國華，劉健，馬良，等.混凝土管端口打磨機器人設計及力學性能分析[J].中國機械工程，2019，30（06）：665-671.

[5]朱偉，汪源，沈惠平，等.仿腕關節柔順并聯打磨機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2016，47（02）：402-407，348.

[6]王成軍，嚴晨，王浩.輕量化掘進機截割臂工作性能的離散元分析[J].科學技術與工程，2020，20（35）：14470-14475.

[7]王成軍，嚴晨，段浩.六自由度變胞振動試驗臺結構設計與動態分析[J].科學技術與工程，2020，20（10）：3874-3880.