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参数化SCARA机器人小臂结构设计研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

SCARA水平多关节机器人由底座、小臂、大臂和末端执行构件组成,具有3个旋转关节和1个移动关节,在平面具有很好灵活性并且在竖直方向具有很好的刚度[1],广泛应用于物料搬运、装配、焊接等[2].

SCARA机器人小臂是连接大臂和末端执行构件重要组成部分,其强度和刚度直接影响机器人寿命和精度.又因SCARA机器人的小臂类似悬臂梁结构,小臂的轻微振动和变形对末端定位精度和运动性能产生不容忽视的影响.因此,小臂结构分析和优化对提高末端定位精度、机器人寿命和运动性能有重要意义.

目前,对工业机器人臂杆设计和优化的研究已经比较成熟,在结构可靠性方面以有限元分析方法为主,在结构优化设计方面以尺寸优化和拓扑优化为主,其中文献[3]采用有限元分析方法和结构优化技术,在保证结构强度和刚度的前提下,对小臂相应壁厚进行优化,实现轻量化设计.文献[4]采用APDL语言编写程序对SCARA大小臂简化梁模型进行轻量化设计,并对优化后平面关节机器人小臂简化模型进行静力学和模态分析.文献[5]利用ANSYS Workbench对码垛机器人小臂进行尺寸优化,以最大变量为约束条件,小臂结构厚度为优化变量,小臂质量为目标函数.以上研究主要涉及SCARA机器人小臂简化模型的优化和小臂单个重要参数进行优化,没有考虑小臂整体尺寸的优化对小臂机械性能的影响.

本文为了缩短SCARA机器人设计周期,提高设计效率[6],利用ANSYS Workbench对SCARA机器人小臂进行静力学和模态分析.在保证结构可靠性的情况下,以减少小臂质量、应力和应变为设计目标,对小臂整体尺寸进行多目标优化,提高SCARA机器人小臂机械性能[7],为机器人臂杆设计与优化提供理论支持.

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1 SCARA机器人工作原理

本文SCARA机器人主轴采用THK生产的BNS1616A滚珠花键滚珠丝杠轴如图2所示,通过花键螺母和丝杠螺母与小臂连接,可以实现3种运动[8]

1)升降运动:丝杠电机通过同步带带动丝杠螺母转动,花键电机不动,实现主轴升降运动.

结果显示,一阶固有频率162.78 Hz,驱动小臂转动和主轴运动的伺服电机额定转速均为3 000 r/min,最高转速5 000 r/min,可知其回转频率最高为83 Hz,小于一阶固有频率,可以避免结构共振[11].

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2 参数化小臂模型和有限元分析

2.1 参数化小臂模型

小臂材料选取质量较轻的铝合金,在保证足够刚度和强度前提下,尽量减少部件质量和运动惯量[9],其弹性模量71 GPa,密度2 770 kg/m3,网格划分如图5所示,采用六面体主导的网格划分方法,模型节点数65 892,单元数17 119,整体网格划分质量较好.

2.2 有限元静力学分析

2.2.1 定义材料属性并划分网格

运用三维建模软件ProE建立小臂参数化模型如图3所示,小臂的主要尺寸对小臂整体刚度、强度和机械性能有重要影响.小臂参数主要有:小臂整体厚度b,小臂末端关节大径部分厚度b1,小臂末端关节大径r1,小臂末端关节小径r2,小臂末端关节外径r5,小臂宽度l,J2关节法兰板安装面深度b3,J2关节减速器安装面深度b2,J2关节底面孔r3,J2关节上面孔r4,小臂主要尺寸如图4.

2.2.3 静力分析求解

本文研究的SCARA机器人额定负载3 kg,小臂受力情况分析:

主轴升降运动受力极限状态时负载和主轴等重量主要施加于小臂上表面的立柱安装孔,3个安装孔F5=F6=F7=13.5 N,小臂下表面的花键螺母接触面承受花键螺母等零件重量F1=5.6 N,另外通过施加载荷F2=11.46 N,F3=6.24 N于小臂上表面分别模拟简化主轴电机等结构对小臂的压力,J2关节处小臂与电机安装板接触面上施加压力载荷来模拟电机和安装板等结构对小臂的压力,经计算F4=16.6 N,电机瞬时最大力矩M=95.5 N·m,沿Y轴方向.

  

图1 SCARA机器人三维模型Fig.1 3 D model of SCARA Robot

  

图2 SCARA机器人主轴结构Fig.2 Spindle structure of SCARA robot

  

图3 小臂三维模型Fig.3 Three-dimensional model of the rmall arm

  

图4 小臂结构尺寸图Fig.4 Main structural dimensions of the small arm

  

图5 小臂有限元模型Fig.5 Finite element model of the small arm

最后,在J2关节处螺栓光孔面施加无摩擦约束,小臂与谐波减速器接触的圆柱侧面施加固定约束,约束情况如图6所示.

  

图6 小臂固定约束施加的位置Fig.6 Fixed constraint applied position

2.2.2 定义约束和施加载荷

完成以上设置后,对小臂静力分析,得到应力、应变云图.

第二天一大早,我又到红提园转了一圈,确信我的判断没有错之后,又交待了王登佩他们以后要注意的一些问题,直到王登佩他们完全明白了之后我才回到县城,没想到颖春竟已经坐在办公室等着我了。蔡大姐见我回来了,看了一眼颖春,又看了一眼我,然后端着她那三百六十五天不离身的茶杯去了别的办公室,出门的时候还向我使了一个眼色并轻轻地关上了门。

  

图7 小臂应力(左)、应变云图(右)Fig.7 Stress and strain distribution of convective cloud

2.3 小臂模态分析

在静力学分析的基础上进行模态分析.根据振动理论,一般情况下低阶固有频率对多自由度振动系统的振动特性起决定性作用,而高阶固有频率的影响可以忽略[10],因此,在预应力模态分析求解后小臂前六阶振型云图如图8所示,前六阶固有频率见表1.

由图7小臂应变云图中可以看出,最大变形量0.170 mm出现在小臂末端;小臂应力云图中可以看出,最大等效应力68.178 MPa出现在J2关节螺栓连接处.铝合金屈服应力280 MPa,取安全系数2,最大等效应力远小于许用应力,证明其满足在实际工况的任何使用要求.

2)螺旋运动:花键电机通过同步带带动花键螺母转动,丝杠电机不动,实现螺旋运动.

作为考古界的著名人士,师古扬古都是本分,但赖非给予世界的惊奇永远在于新。他活出了这一个时代的学者、艺术家的独特价值。再过500年,也许就有后人对着他的拓画《地老天荒》拍案叫绝,如同他读《王道习墓志》一样。他视皇甫亮为酒友,也会有人将他视为画友的。艺术本来就是随意而为,那个在酒罐子上写下或者画下第一个图案的古人,和拿着墨汁随意拓下一段凹凸线条的赖非,他们对美的感知和期待,自然是相通的,自然可互称为友。

小臂前六阶模态振型:

首先,施工材料选取不当。施工材料在建筑工程中占据着十分重要的地位,它和工程成本以及质量都存在紧密联系。在具体施工的过程中,如果施工材料的选用出现问题,必然会影响到施工质量,造成返工或是施工暂停,这样就会对工程施工活动的顺利实施造成影响。

1)一阶振型表现为小臂末端以第1关节螺栓连接处的X轴方向为轴弯曲振动;2)二阶振型表现为小臂末端绕Z轴的扭转摆动;3)三阶振型表现为小臂末端和中部以第2关节X轴为轴弯曲振动;4)四阶振型表现为小臂末端以第1关节Y轴扭转摆动;5)五阶振型表现为小臂末端和中部沿Z轴扭转摆动;6)六阶振型表现为小臂末端和中部绕X轴的扭转摆动.

  

图8 前六阶模态振型图Fig.8 The first six order modal vibration charts

3 小臂结构多目标尺寸优化

利用ANSYS Workbench中多目标求解方法对小臂模型多目标尺寸优化,首先设置输入参数和输出参数,灵敏度分析小臂设计变量对强度、刚度和质量的影响,最后根据优化结果得到小臂最优尺寸.

如图9通过灵敏度分析可得各个设计变量对小臂性能的影响,由灵敏度分析结果可知,小臂整体厚度b和J2关节减速器安装面深度b2对小臂应力影响最大;厚度b和J2关节法兰板安装面深度b3对小臂变形影响最大;小臂整体厚度b和小臂宽度l对小臂质量影响最大,因此,b、b2、b3、l为主要设计变量,其余为次要设计变量,进行结构优化.

3)旋转运动:丝杠电机和花键电机同时转动,花键电机通过同步带带动花键螺母转动,丝杠电机通过同步带带动丝杠螺母反向补偿花键螺母竖直方向运动,实现主轴转动.

本文采用多目标尺寸优化设计,选用ANSYSWorkbench Design Ex-ploration模块响应面法对小臂优化设计,响应面法可以直观的观察到输入参数的影响以及在图表中动态显示输入和输出参数的关系.以小臂质量、最大应力和最大应变为优化目标,根据实际情况给定设计变量范围:

不同加工方法牡丹皮中7种指标性成分的含量测定及质量评价 …………………………………………… 张洪坤等(22):3063

为了实现上述的IoT匿名支付方案,可在IoT支付双方(即供给方与需求方)之间引入区块链代理节点。以智能电网供需电为例,如图4所示,无论是家庭业主还是电动车车主,都具备独一无二的加密身份标识,而该标识不能反映其他信息。当业主或车主向智能电网购买电力资源时,双方的交易信息通过区块链代理节点进行确认。在此期间,智能电网无法识别业主或车主的身份,因为它只需向对应的电力输出设备供电即可。在这种情况下,IoT用户的身份信息、用电规律、驾车习惯等隐私在没有暴露给智能电网的同时,仍然有效地获取了电力资源。

 

表1 前六阶固有频率参数Tab.1 The first six order natural frequency parameters

  

n 1 2 3 4 5 6 ω/Hz 162.78 745.48 944.92 1 105.5 2 248.9 2 381.6

  

图9 小臂输入参数对输出参数的灵敏度分析图Fig.9 The sensitivity of the small arm input parameter to the output parameter

 

通过优化设计得出主要设计变量与小臂最大应力、最大应变、质量的响应云图如图10~图12.

  

图10 最大应力与优化参数响应云图Fig.10 The maximum stress and optimization parameter response surface

  

图11 最大应变与优化参数响应云图Fig.11 The maximum strain and optimization parameters response surface

  

图12 质量与优化参数响应云图Fig.12 The quality and optimization parameters response surface

由图10可以看出,小臂整体厚度b对小臂应力影响较大,J2关节减速器安装面深度b2对小臂应力影响较小,适当增加小臂整体厚度b和减少小臂末端关节大径部分厚度b2可降低小臂最大应力;由图11可以看出,小臂整体厚度b小臂变形影响最较大,J2关节法兰板安装面深度b3对小臂变形影响较小,适当增加小臂整体厚度b和减少J2关节法兰板安装面深度b3可降低最大应变;由图12可以看出,小臂整体厚度b小臂质量影响较大,小臂宽度l对小臂质量影响较小,适当减少小臂整体厚度b和小臂宽度l可降低小臂质量.通过优化设计得出小臂最优参数及优化前后变化对比如下表2.

从表2可以看出,优化后小臂最大应力、最大应变和质量均有所下降,小臂最大应力下降20.4%,最大应变下降11.7%,质量减少6.0%.

4 结论

本文针对SCARA机器人核心部件小臂进行有限元分析及优化设计,首先,利用ProE建立小臂参数化模型,采用有限元分析软件ANSYS Workbench对小臂进行静力学和模态分析,分析结果表明小臂满足刚度和强度要求.通过不同软件接口设置,实现ProE与ANSYS Workbench无缝连接,将参数化小臂模型导入ANSYS Workbench,小臂的主要尺寸作为输入参数,利用ANSYS Workbench多目标优化方法,得到输入参数和质量、应变、应力的灵敏度.确定影小臂性能的关键尺寸,并进行多目标优化,取得良好优化效果.与传统经验设计和优化方法相比,此方法缩短SCARA机器人设计周期,提高设计效率,增加设计过程中的可靠性.

分别取3 g马铃薯脆片样品放入电子鼻专用顶空瓶内,采用手动顶空进样法对苹果脆片挥发性物质进行测定[15]。以干燥空气为载气,流速为300 mL/min,样品采样时间60 s,清洗时间60 s,采样间隔时间5 s,自动调零时间10 s。

 

表2 优化前后结果对比Tab.2 Comparison before and after optimization analysis

  

变量 优化前 优化后 圆整b/mm 15 15.394 15.4 b1/mm 6 7.061 7 b2/mm 7 8.512 85 b3/mm 4 3.572 3.5 r1/mm 64 65.793 66 r2/mm 36 32.064 32 r3/mm 70 72.083 72 r4/mm 54 52.41 52 r5/mm 100 100.13 100 l/mm 60 58.054 58最大应力/MPa 69.178 51.697 55.082最大变形/mm 0.170 0.149 7 0.150 1小臂质量M/kg 1.387 1.343 1.304

参考文献:

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[3] 张红.SCARA机器人小臂结构特性分析[D].天津:天津大学,2008.

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[9] 曹少泳.基于ANSYS的仿生四足机器人有限元分析[J].机电工程技术,2016,45(10):91-92.

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[11]唐春喜,聂拓,李梅龙.ANSYS的电动矿用自卸车有限元模态分析[J].现代制造工程,2009(1):121-123.

 
杨肖长,孟宪春,康宇鹏,杨晓娜
《河北工业大学学报》2018年第02期文献

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