基于ANSYS的6R機械臂靜力學分析

李忠興

(攀鋼礦業有限公司， 四川 攀枝花市 617011)

0 引言

現階段我國礦業政策大力支持智慧礦山建設，促使礦業急需運用機器人技術提升智能化水平，而將機器人運用到鐵礦開采設備中是鐵礦山智能化升級的必要措施。礦用機器人按應用崗位設定為掘進、采礦、救援、安控、運輸5類，共計38種[1]。其中選廢機械臂受到了眾多研究人員的關注，其通過傳感器對礦物進行識別、空間定位，然后通過末端抓取機構完成礦石分離工作[2]。

同忻礦與中煤科工科研人員共同研發了一種機械臂與識別系統相互配合完成超重廢石分揀工作的“智能煤矸分選機器人”，現已正式投入大塊廢石分選作業現場并進入應用調試階段。某礦業公司廢石挑選機器人通過圖像識別、智能控制等系統技術，實現了仿生機器手分揀抓取廢石作業，每小時可達1200次，能夠處理80～400 mm大小廢石。廢石識別分選率可達95%，國內首創實現超大廢石處理。某鐵礦的振動篩在2019年安裝試用6R機械臂，在識別系統的配合下能夠抓取0.3～1 m的大塊廢石，持重達 250 kg，基本識別率可以達到 95%～98%，如圖1所示。

圖1 某鐵礦使用的6R機械臂

在作業過程中，機械臂各結構的變形會影響其礦廢分離工作的精度，其材料的應力分布狀況也會影響機械臂使用的安全性[3-5]。通過礦用錨桿鉆機的機械臂進行關鍵部件的靜力學分析，發現機械臂的強度和剛度都滿足工作要求，為后續結構優化奠定了基礎。對礦用焊接機器人的大臂進行了靜力學分析，驗證其靜態強度是足夠的，為其后續的研究提供了參考[6]。另外，針對礦用轉移機械臂的轉臺支座進行了靜力學分析，得到其應力分布圖，并在應力分布圖的基礎上對轉臺支座結構進行了優化[7]。

為了驗證所設計的6R機械臂機械結構在作業時的安全可靠性和為進一步的結構優化奠定基礎，將通過三維軟件SolidWorks完成6R機械臂的三維建模，并賦予材料特性計算各個部件的質量；將機械臂的三維模型導入ANSYS中進行2種極限姿態下的靜力學仿真，得到各零部件的應力分布情況和結構變形程度。

1 6R機械臂三維模型

所設計的6R機械臂主要由底座、旋轉平臺、大臂、肘關節、小臂、腕關節、末端執行機構等主要部分組成，各個組件通過旋轉副連接，工作時由定位系統對廢石進行定位，各關節轉動使末端執行機構到達指定位置進行分離廢石作業，其中，6R機械臂采用伺服電機驅動并將伺服電機及相關線路放置于機械臂內部，以提高空間利用率。通過使用CAD軟件SolidWorks建立6R機械臂三維模型，為方便分析將其末端執行機構進行省略，如圖2所示。圖2所示模型是實際模型的簡化，將各部分的螺栓孔、不規則曲面進行相應處理，以減少有限元分析中的誤差以及計算量。

圖2 6R機械臂的結構組成

2 6R機械臂的靜力學分析

2.1 建立有限元模型

ANSYS workbench中常用的有限元模型建立方法有：Design Modeler三維實體建模、Workbench與 CAD中間格式轉換、第三方軟件與 Workbench接口關聯。由于已經使用SolidWorks建立了6R機械臂的三維模型，因此本節采用 SolidWorks與Workbench接口關聯的方法對6R機械臂進行有限元模型的建立與分析[8-11]。為了方便分析，只針對6R機械臂在水平和豎直 2種極限姿態下的靜力學進行分析，只需保證在這2種姿態下的應力和變形分布合理，則其他姿態應力和變形分布也合理。

首先將建立的6R機械臂三維模型在SolidWorks另存為格式*.x_t，導入 ANSYS workbench中的Static Structural模塊，對其材料按照表1中的參數進行定義；其次對其三維模型進行網格劃分操作，所劃分網格的優劣性決定所得應力分布和變形分布結果的精確性，將網格類型設置為 Tetrahedrons四面體網格，Element Size單元網格尺寸設置為25 mm，得到在水平姿態下網格模型中的Nodes和Elements的參數分別為48 876，28 817，在豎直姿態下的網格模型的網格節點數和單元數分別為35 281，18 725，劃分好的網格模型如圖3所示。經過檢測，網格質量良好。最后按照工作環境條件對模型設定載荷和位移邊界條件，在機械臂末端設置500 N豎直向下的力。

表1 結構鋼材料特性

圖3 6R機械臂兩種姿態網格劃分

2.2 水平姿態下的靜力學分析

在進行機械臂水平姿態下的靜力學分析時，由于機械臂組成部件的質量和所在位置不同，其作業時各部件的受力效果也不同。在機械臂的末端執行機構設置500 N的載荷，在所受負載和自身組成部件的重力作用下，得到變形分布情況（見圖4）和應力分布情況（見圖5）。從圖4可以看出，水平姿態下的機械臂在末端執行機構和腕關節處發生最大變形，變形量是0.43 881 mm，并且變形量沿著機械臂呈遞減趨勢，直至在底座和旋轉平臺處變形量為0。從圖5可以看出，應力主要集中于小臂與肘關節連接處、大臂與肘關節連接處、大臂與旋轉平臺連接處和底座固定孔處，最大應力為13.056 MPa。

圖4 機械臂水平姿態下的變形分布云圖

圖5 機械臂水平姿態下的應力分布云圖

2.3 豎直姿態下的靜力學分析

將機械臂姿態轉變為豎直姿態下進行靜力學分析，獲得機械臂組成部件的變形分布情況（見圖6）和應力分布情況（見圖7）。從圖6可以看出，在末端執行機構和腕關節處依舊發生最大變形，變形量是0.102 16 mm，并且變形量沿著機械臂呈遞減趨勢，直至在底座和旋轉平臺處變形量為 0，與水平姿態下的變形分布云圖相比，最大變形量減小，且發生變形的部分增加。通過圖7可以看出，應力主要集中于大臂與肘關節連接處、大臂與旋轉平臺連接處和底座固定孔處，最大應力為 7.6831 MPa，與水平姿態相比，最大應力值減小，應力集中的范圍縮小。

圖6 機械臂豎直姿態下的變形分布云圖

圖7 機械臂豎直姿態下的應力分布云圖

3 結論

針對所設計的6R選矸機械臂，使用SolidWorks對其進行了三維建模，為樣機的制作奠定了基礎。通過ANSYS workbench對6R選矸機械臂進行2種極限位置下的應力變化規律和變形情況的靜力學分析，得到了2種姿態下的變形、應力分布云圖。仿真結果表明，水平和豎直姿態下的機械臂的末端執行機構和腕關節處會發生最大變形，變形量分別為0.438 81 mm、0.102 16 mm；水平姿態下的應力主要集中于小臂與肘關節連接處、大臂與肘關節連接處、大臂與旋轉平臺連接處和底座固定孔處，最大應力為13.056 MPa，而豎直姿態下的應力主要集中于大臂與肘關節連接處、大臂與旋轉平臺連接處和底座固定孔處，最大應力為7.6831 MPa，驗證了機械臂結構設計的可靠性，并為后續的結構優化、運動控制等研究奠定了基礎。