SCARA机器人大臂静态力学性能研究

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１８.０４.０４８
ＳＣＡＲＡ机器人大臂静态力学性能研究
∗
刘㊀松
(珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司ꎬ广东珠海㊀５１９０７０)
摘㊀要:针对ＳＣＡＲＡ机器人大臂ꎬ利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件建立有限元分析模型ꎬ并在此基础上进行结构静力分析ꎬ研究其应力㊁应变分布状况ꎬ分析其强度和刚度等力学性能ꎬ并通过实验测试验证ꎬ验证了仿真结果的准确性ꎬ为ＳＣＡＲＡ机器人大臂结构的优化提供理论依据ꎮ
关键词:ＳＣＡＲＡ机器人ꎻＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈꎻ大臂ꎻ静态ꎻ力学性能
中图分类号:ＴＰ２４２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１８)０４－０１４２－０２
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔａｔｉｃＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＳＣＡＲＡＲｏｂｏｔＡｒｍ
ＬＩＵ㊀Ｓｏｎｇ
(ＧｒｅｅｎＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＺｈｕｈａｉＧｒｅｅＣｏ.ꎬＬｔｄꎬＺｈｕｈａｉＧｕａｎｇｄｏｎｇ㊀５１９０７０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅＳＣＡＲＡｒｏｂｏｔａｒｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＡＮＳＹＳＷｏｒｋ￣ｂｅｎｃｈｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓꎬｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬａｎｄａｎａ￣ｌｙｚｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓ.Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎ￣ｔａｌｔｅｓｔｓꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＳＣＡＲＡｒｏｂｏｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳＣＡＲＡｒｏｂｏｔꎻＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈꎻｒｏｂｏｔａｒｍꎻｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ
０㊀引㊀言
ＳＣＡＲＡ机器人是一种高速高精度的机器人ꎬ对
末端的位置和姿态的精度要求较高ꎬ在重力和负载作用力下ꎬ机器人整体会产生变形ꎬ从而影响到末端运动的精度ꎬ从结构上分析可知ꎬＳＣＡＲＡ机器人中变形量较大的是机器人的大臂ꎬ因此有必要对ＳＣＡＲＡ机器人的大臂进行静力学分析[１]ꎬ研究其应力㊁应变情况ꎮ
ＳＣＡＲＡ机器人的大臂是个复杂的结构ꎬ传统分
析方法对模型进行了过多的简化ꎬ计算结果粗略ꎬ与实际情况相差较大ꎮ随着计算技术的飞速发展ꎬ采用有限元方法可以有效解决的有关工程和数学领域内的典型问题ꎬ包括结构分析㊁热传导㊁电磁电位等ꎬ因此本次采用有限元软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对臂长ＳＣＡＲＡ机器人大臂进行静力学分析ꎬ并将仿真得到的结果与实验测试结果进行对比ꎮ
１㊀静力学仿真分析
ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真分析流程见图１ꎮ１.１㊀三维建模
用Ｃｒｅｏ建立实体模型ꎬ保存为适合ＡＮＳＹＳ要求
的格式ꎬ然后导入ＡＮＳＹＳ软件中ꎮ
１.２㊀模型简化
对于复杂的结构ꎬ在进行有限元分析时ꎬ为了保
证计算的准确性以及减小计算规模ꎬ在尽可能如实地反映具体结构主要力学特性的前提下ꎬ应该尽量简化具体结构的几何模型ꎬ以便有限元模型采用较少的单元和较简单的单元形态
ꎮ
图１㊀仿真分析流程图
㊀㊀大臂实际三维模型为不规则的结构ꎬ两端有用于固定位置的安装孔ꎬ中间有挖槽以减轻臂的重量ꎬ还有各种倒角及圆角等等结构ꎮ
在ＡＮＳＹＳ仿真分析中ꎬ像一些为减少应力集中
２４１ 工业机器人㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
２０１８年第４期(第３１卷ꎬ总第１５６期) 机械研究与应用
∗收稿日期:２０１８－０５－２０
作者简介:刘㊀松(１９８５－)ꎬ男ꎬ陕西汉中人ꎬ助理工程师ꎬ主要从事数控机床结构设计及其自动化生产制造㊁工业机器人结构设计与制造等
方面的科研工作ꎮ
的结构特征如倒角㊁圆角可以忽略掉[２]ꎬ这种处理方式可以在不影响计算结果准确性的同时提高后面的网格划分的质量ꎬ减少计算时间ꎬ实际模型中大臂２.
５９ｋｇꎬ仿真模型中大２.５８ｋｇꎮ１.３㊀网格划分
大臂网格划分设置中ꎬ采用接近与曲率的方
法[３]ꎬ其余采用默认设置ꎬ划分结果如图２所示ꎬ从网格划分结果中ꎬ只有极少数网格质量小于５０％ꎬ说明网格质量较好ꎬ满足计算精度的要求ꎮ
１.４㊀约束与载荷
大臂通过螺钉与固定工装连接ꎬ给螺钉孔施加固
定约束[４]ꎬ所受约束如图３中的Ａ点ꎬ受力只有负载作用力ꎬ如图３中的Ｂ点(与实际测试时ꎬ两次测试结果抵消了重力的作用
)ꎮ
图２㊀大臂网格划分图㊀㊀图３㊀大臂所受约束与载荷图
１.５㊀仿真结果
图４和图５所示为１ｋｇ负载作用下ꎬ变形和应力云图ꎮ表１为大臂在１ｋｇ㊁２ｋｇ㊁３ｋｇ负载作用下末端最大变形和最大等效应力统计表
ꎮ
㊀图４㊀大臂变形云图㊀㊀㊀图５㊀大臂等效应力云图
表１㊀仿真结果统计表
负载质量(ｋｇ)
最大变形量(ｍｍ)
最大应力(ＭＰａ)
１０.０１７８１.７２２０.０３５７３.４５３
０.０５３６
５.１７
２㊀静力实验测试
２.１㊀实验装置
实验装置如图６所示ꎬ负载用于给大臂施加力ꎬ放置在大臂末端ꎬ使大臂产生变形ꎬ有１ｋｇ㊁２ｋｇ㊁３ｋｇ共３种负载ꎬ千分表用于测量臂末端变形量ꎮ
２.１㊀实验数据
在大臂末端放置１ｋｇ㊁２ｋｇ㊁３ｋｇ负载ꎬ每种负载下测试５组数据ꎬ然后取５组数据的平均值ꎬ实验数
据如表２所示
ꎮ
图６㊀大臂实验装置图表２㊀大臂测试结果
负载质量(ｋｇ)
末端变形量(ｍｍ)变形量平均值
(ｍｍ)１０.０１６０.０１６０.０１６０.０１６０.０１６０.０１６２０.０３４０.０３４０.０３４０.０３４０.０３４０.０３４
３
０.０５５
０.０５４
０.０５５
０.０５５
０.０５５
０.０５４８３㊀总㊀结
(１)建模时采用与原结构几何形状㊁尺寸相一致
的实体建模ꎬ仅仅忽略了一些倒角和圆角特征ꎬ简化后重量均仅仅减少了０.０１ｋｇꎬ减少了０.４％㊁０.６％ꎬ两者的重量相近ꎬ表明结构建模时ꎬ对结构的简化较为
合理ꎬ有限元模型都具有较高的精度ꎮ
(２)从图４变形云图可知ꎬ变形值从固定位置处向负载施加处成增大趋势ꎬ大臂最大变形量０.０１７８ｍｍꎮ
(３)从图５等效应力云图可知ꎬ大臂的最大工作应力值远小于材料的许用应力值ꎬ说明材料抵抗破坏的能力很强ꎮ
(４)对比表１和表２可知ꎬ在１ｋｇ㊁２ｋｇ㊁３ｋｇ负
载作用下ꎬ大臂仿真结果与实验结果间的误差为１.８
μｍ㊁１.７μｍ㊁１.２μｍꎬ误差百分比为１１.３％㊁５.０％㊁２.
２％ꎮ
(５)仿真结果和实验结果间误差存在原因可能
有:①实验测试时千分表测量位置与仿真测量点的位置不重合导致ꎻ②仿真时约束条件无法完全模拟实际测试时的条件ꎮ
(６)从仿真结果和实验结果对比可知ꎬ仿真结果
和实验结果十分接近ꎬ可为后续结构设计提供参考ꎮ参考文献:
[１]㊀石㊀磊ꎬ金忠全.四自由度机器人的建模和仿真[Ｊ].组合机床与
自动化加工技术ꎬ２０１２(３):３７－３９.
[２]㊀张㊀红.ＳＣＡＲＡ机器人小臂结构特性分析[Ｄ].天津:天津大学ꎬ２００８.
[３]㊀王健强ꎬ程㊀汀.ＳＣＡＲＡ机器人结构设计及轨迹规划算法[Ｊ].合
肥工业大学学报(自然科学版)ꎬ２００８(７):１０２６－１０２８＋１０４１.[４]㊀肖郑进.ＳＣＡＲＡ平面关节式装配机器人设计与精度分析[Ｄ].南
京:南京理工大学ꎬ２００２.
３４１ 机械研究与应用 ２０１８年第４期(第３１卷ꎬ总第１５６期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀工业机器人。