机械臂臂座有限元分析及结构改进

机械臂臂座有限元分析及结构改进

发表时间：2013-06-14T08:52:22.107Z 来源：《学术月刊》2013年5月供稿作者：胡世杰潘淑微宋荣徐振宇何斌[导读] 机械臂臂座作为机械臂的关键零部件，需要进行有限元分析，以确保其工作可靠。

胡世杰潘淑微宋荣徐振宇何斌

（胡世杰，潘淑微，宋荣：温州职业技术学院机械工程系，浙江温州 325035）

（徐振宇：金华职业技术学院机电工程学院，浙江金华 321017）

（何斌：上海大学机械系，上海 200444）

[摘要]采用有限元方法对机械臂臂座进行了分析；对初始产生屈服变形的机械臂臂座分析了在给定静载荷下的应力及位移量。根据分析结果针对不合理结构的机械臂臂座进行了改进设计，通过有限元分析方法验证了改进设计后臂座所能承受的最大应力得到提高，能够保证机械臂的正常工作。

[关键词]机械臂臂座有限元力学分析

[作者简介]胡世杰（1974-），男，工程硕士、副教授。毕业于浙江大学，主要研究方向为机械设计、材料成型工艺与模具设计。[中图分类号] TH12 [文献标识码] A [文章编号]0439-8041（2013）05-0091-03

机械臂广泛应用在工业自动化领域，机械臂一般采用多关节设计，在各关节中安装伺服电机和谐波减速器，通过工控机控制关节伺服电机对机械臂各关节进行驱动，以保证机械臂能够精确定位抓取物件，实现既定动作。为了保证机械臂运动的精确性，必须减少由于机械臂零件受力变形所带来的位移影响，这就有必要在重量基本保持不变的前提下，提高关键结构件的刚度，以便机械臂在负载作用下具有较高的定位精度和重复定位精度。对于伺服电机本身，由于是成熟产品，暂不考虑改变其结构，因此机械臂优化主要是针对固定伺服电机的臂座进行结构改进设计。

由于机械臂产品定型后，臂座零件将主要采用铝合金压铸方法制造毛坯件，然后经过少量机械加工成型，这样可以节约零件制造成本，提高生产效率。压铸模具的制造费用昂贵，因此，先根据已有产品和经验，建立臂座零件的三维模型，通过有限元方法对臂座进行应力分析，判断出承受较大应力薄弱区域，针对薄弱区域进行结构改进设计[1][2][3][4][5]，并验证改进结果，最后根据改进结果设计定型，然后制造压铸模具，保证最大限度的可靠性。

一、机械臂结构分析及力学计算

（一）机械臂的结构分析

机械臂结构如图1所示，共有5个伺服电机驱动，伺服电机之间以臂座连接，各伺服电机均自带减速器。

（二）机械臂臂座的力学计算如图2所示的机械臂由5个伺服电机驱动，伺服电机固定在关节的臂座上，整个机械臂的重量都由最左边安装伺服电机的臂座1支撑。因此按照机械臂末端负载29.4N的要求，考虑机械臂完全处于伸展状态的情况下，在设计臂座1时，选择2A12硬铝作为材料，尽可能增大了

零件壁厚。

要使机械臂正常动作，电机驱动扭矩必须满足：

二、机械臂臂座的有限元分析

机械臂臂座作为机械臂的关键零部件，需要进行有限元分析，以确保其工作可靠。

（一）有限元分析流程

如图3所示机械臂臂座结构改进流程。

（二）臂座选材及有限元网格划分

由于整个机械臂工作过程中要尽可能减小惯性影响，做到轻量化设计，因此，臂座选材用2A12硬铝，弹性模量E为70Gpa，屈服强度为325MPa。首先在设计软件solidwork里面完成对臂座的建模。利用solidwork软件的有限元分析模块，对模型进行有限元四面体网格自动划分，如图4所示，共划分出单元体21309个，网格节点35190个。

（三）臂座有限元分析

加载在臂座上的总重量，折算出正压力为1289N，扭矩依据前面的计算结果为869N•m。在边界条件加载时，由于臂座与电机之间是用12个螺栓均匀固定，因此，正压力和扭矩沿接触固定面均匀分布。图5中左侧a）图环状区域为固定区域，完全约束。

由图5分析数据显示，a）图中箭头所指部位臂座承受最大的应力是326.856Mpa，b）图中箭头所示为最大综合位移处，位移值为1.086mm，这个位移经过臂长的累加，机械臂的末端定位误差经测量达3.24mm，误差较大。

臂座的最大应力326.856Mpa已经超过了材料的屈服极限325Mpa，因此必须对臂座的结构进行改进设计。

三、关节臂座结构改进及有限元分析

（一）臂座结构改进

针对图中臂座受力最大的区域为右侧环状区域。对环状区域部分进行加强，将壁厚由17mm改成27mm。

另外，对拐角处的多余部分材料加以去除，测得改进前体积为2.80×105mm3，改进后体积为3.23×105 mm3，质量增加约0.11kg，对机械臂影响不大。

（二）改进后臂座有限元网格划分

对改进以后的臂座进行有限元建模，如图7所示。共划分出单元体13810个，网格节点23813个。

（三）改进后臂座有限元分析

假设机械臂除关节外其余部分不变，加载在臂座上的正压力和扭矩不变。如图6所示，臂座左侧固定，正压力和扭矩沿接触固定面均匀分布。

如图8所示，改进后，臂座承受的最大应力处如图a）箭头所示，为180.274Mpa，远小于材料的屈服极限325Mpa。改进后臂座最大综合位移处如图b）箭头所示，位移值为0.6995mm，已经缩小30%以上。

四、结论

对机械臂臂座进行了力学计算和有限元分析，得出了初始臂座设计无法满足机械臂负载下的力学性能要求，对有限元分析得出的薄弱环节进行改进设计。对改进后的臂座结构再次建模，验证了改进后臂座的结构强度满足了要求，证明了改进设计的有效性。

主要参考文献：

1.徐燕申,张学玲.基于FEM的机械结构静、动态性能优化设计[J].西南交通大学学报,2003,38(5):517-520.

2.徐超,余绍荣,郑小亚,张铎.机械螺栓法兰连接的有限元力学模型比较研究[J].机械设计与制造,2009,(6):37-39.

3.赵厚继,刘厚根,王宇奇,朱晓东.基于ANSYS机械增压器主动轴的动态特性分析[J].机械传动,2009,33(3):1-3.

4.毛力奋.考虑可靠性和鲁棒性的机械接头有限元设计优化[J].计算机辅助工程,2010,19(3):101-102..

5.铁巍巍,王晓枫,杨茹萍,周雍.挖掘机动臂有限元模态分析[J].机械设计与制造,2011,(3):23-24.

（责任编辑：周奇）

（本文系上海市重点实验室开放课题(No.ZK1003) 。）

Finite Element Analysis and Optimization of Robot Arm Block

Shijie Hu, Shuwei Pan, Rong Song , Xu Zhen yu ,He Bin

Abstract: The paper applies finite element to analyze the robot arm block, and analyzes the stress and displacement of robot arm block in a given static load with initial deformation. Based on the above results, the irrational structure of the robot arm block was redesigned to