基于ANSYSWORKBENCH的帶電作業(yè)機械臂模態(tài)探究

陳柏希 段紹全 王斐宏 蔡文輝

摘 要：在帶電作業(yè)姿態(tài)下，機械臂是配電網(wǎng)作業(yè)機械的主要執(zhí)行者，機械臂的性能直接決定了機器人工作質(zhì)量與效率，開展工作的可靠性等。本文借助Pro軟件或Engineer軟件，建設(shè)了在兩種典型位姿下機械臂的實體模型，運用ANSYSWORKBENCH軟件，設(shè)定為預荷載狀況，對不同位姿下結(jié)構(gòu)靜力學的特性，其模態(tài)特征等開展分析。在模態(tài)分析結(jié)果基礎(chǔ)上，實施動力學前饋補償，自主控制機械臂的振動，抑制其工作過程內(nèi)的振動現(xiàn)象，確保工作開展效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ANSYSWORKBENCH;機械臂;振動抑制;模態(tài)分析

自經(jīng)濟全球化發(fā)展，人們對電力供應(yīng)提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)研究中，帶電作業(yè)屬于重要領(lǐng)域，其作業(yè)標準與質(zhì)量直接關(guān)系著國家供電技術(shù)與供電實力。就實際情況而言，人工帶電作業(yè)本身困難較大，卻存在著較大的局限性。此方面機器人的開發(fā)與研究十分有必要[1]。自20世紀80年代中期開始，國外很多國家開始了帶電作業(yè)機器人的研究，走在前沿的當屬日本、美國、西班牙與加拿大。我國是20世紀90年代才開始的相關(guān)研究，但經(jīng)過短短的幾年，已經(jīng)取得了較大的研究成果。

有限元分析法在近代工程內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，主要集中進行數(shù)值模擬，可靠性比較明顯。本文主要選擇的是有限元ANSYSWORKBENCH軟件開展分析，深入剖析機械臂整體結(jié)構(gòu)[2]。選擇最大水平伸展、最大垂直伸展位姿，開展ANSYSWORKBENCH分析。在分析試驗過程中，綜合考慮機械臂的實際持重情況，并施加預荷載。通過分析機械臂模態(tài)仿真，獲得兩種典型位姿下，機械臂的6節(jié)模態(tài)振型。在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，探索抑制機械臂振動的有效措施——動力學前饋補償。

作為帶電作業(yè)下的主要執(zhí)行機構(gòu)，機械臂本身的性能直接影響著作業(yè)安全與質(zhì)量。因此，對帶電作業(yè)機械臂機械性能的分析，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文主要探討的是ANSYSWORKBENCH軟件下，帶電作業(yè)機械臂模態(tài)，詳細分析如下。

1 帶電作業(yè)機械臂模態(tài)分析

1.1 有限元模型的建立

帶電作業(yè)下的機械臂本身擁有6個自由度，其組成結(jié)構(gòu)比較復雜。在進行模型建立過程中，需要結(jié)合等效剛度代換理論，處理具體的結(jié)構(gòu)，并對其簡化。筆者結(jié)合實際與文獻資料，認為帶電作業(yè)條件下的機械臂，其等效簡化主要包含以下三點：

（1）可以將各種連接、各種配合簡化，比如，可將齒輪、嚙合簡化，分解為軸與孔，通過將螺栓與鍵之間的連接簡化，以此轉(zhuǎn)換為面接觸。

（2）可將螺紋與倒角的特征忽略掉，將電位器與相應(yīng)的固定構(gòu)件忽略掉，并將其構(gòu)件與線路忽略掉。不僅如此，還可以將空特征、臺特診忽略掉，以此開展質(zhì)量的等效分布。

（3）結(jié)合液壓系統(tǒng)的特點，選擇等效配重原理，有效簡化馬達、液壓缸及管路。通過開展適當?shù)暮喕?，可建設(shè)最大水平伸展、最大垂直伸展典型姿態(tài)下的機械臂模型[3]。在最大水平伸展位姿下，大臂關(guān)節(jié)與肩部關(guān)節(jié)之間的角度可保持到60°，機械臂此刻的最大承重為45kg。在最大處置伸展位姿下，肩關(guān)節(jié)為俯仰姿態(tài)，角度為120°，此階段機械臂最大的持重為82.0kg。

1.2 模態(tài)仿真

在開展機械臂仿真前，需要先定義材料屬性，分析連接關(guān)節(jié)的類型。就機械臂上的各個構(gòu)件，在對材料開展屬性加載時，應(yīng)當綜合考慮建模過程中，結(jié)構(gòu)的簡化問題。就機械臂連軸部位、夾持手部位的材料，可選擇不銹鋼。關(guān)節(jié)通過面約束實現(xiàn)，綜合考慮機械臂的結(jié)構(gòu)特點。

本文選擇的是Bonded、No Separation兩種面對機械臂各個構(gòu)件進行約束，接觸面進行約束。選擇CFD模式，網(wǎng)格劃分機械臂，其粗細均選擇-50，劃分連接軸部分。

本文就機械臂連軸部分與夾持手部分彈性模量選擇的是193GPa，泊松比設(shè)置的為0.31，密度設(shè)置為7750kg/m3;其他部分為71GPa，0.33，2770kg/m3。網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)為62180，單元數(shù)為243508，其結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.3 仿真結(jié)果的分析

（1）結(jié)構(gòu)靜力學，通過分析機械臂結(jié)構(gòu)靜力學方針，可獲得機械臂最大水平伸展時的壓強（99.24MPa），強度集中在肩關(guān)節(jié)、大臂關(guān)節(jié)連接位置。機械臂最大垂直伸展壓強（4381MPa），強度集中在大臂關(guān)節(jié)與小臂關(guān)節(jié)連接位置。關(guān)節(jié)連接部位是不銹鋼材料，最大壓強極限為200MPa，比機械臂實際工況承受壓強大很多，整體結(jié)構(gòu)可滿足工作要求[4]。手抓關(guān)節(jié)位置出現(xiàn)了最大位移，展現(xiàn)了關(guān)節(jié)變形情況與疊加情況。手抓關(guān)節(jié)最大位移為3.8874mm，規(guī)定最大伸展位移0.43246mm，已經(jīng)超出了規(guī)定值。機械臂在開展基線工況時，要朝著水平方向伸展。

（2）模態(tài)仿真，通過分析下表，下表模態(tài)振型數(shù)據(jù)可得知。①在同一位置與姿勢下，若在規(guī)定的承重范圍內(nèi)，是否需要增加機械臂的荷載，是否會對固有頻率產(chǎn)生影響等問題，完全可以忽略，主要是因為外加荷載對機械臂自身的固有頻率影響微乎其微。②不同位置與姿勢下，在其持重范圍內(nèi)，機械臂自身固有頻率變化，振型變化不大，隨著階數(shù)的增加，使得其變化也愈發(fā)明顯?？傻弥獧C械臂屬于裝配體，其位置與姿勢對固有頻率、振型會產(chǎn)生相應(yīng)的影響，但是若階數(shù)處于較低標準時，其影響不大。

2 振動控制手段

機械臂本身的1階、2階固有頻率較低，自主控制實現(xiàn)所帶來的影響更加明顯。為有效抑制機械臂的振動，可選擇動力學前饋的補償控制方案。借助滯整形過濾器模塊，動力學前饋的補償器模塊共同組成的振動控制系統(tǒng)。本身結(jié)構(gòu)比較簡單，可更好的實現(xiàn)。如下圖2所示，整形器接收到的路徑控制器信號，機械臂傳導的振動脈沖信號，驅(qū)動器輸出整形后的信號，能夠同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供動力學補償。

3 結(jié)語

綜上所述，本文是在等效剛度基礎(chǔ)上，虛擬建模機械臂結(jié)構(gòu)，可確保模態(tài)仿真的真實性與可靠性。使得連接與傳統(tǒng)也實現(xiàn)了等效，但只能獲得某一部分的整體情況。

通過建設(shè)機械臂的預荷載模態(tài)，可實現(xiàn)工作情況的真實模擬與仿真，確保數(shù)據(jù)的可靠性，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，驗證了該機械臂結(jié)構(gòu)的合理性。

就機械臂的固有頻率，對主動控制有顯著的影響，可有效抑制振動，促使其高效工作。

可見，在ANSYSWORKBENCH軟件基礎(chǔ)上，開展帶電作業(yè)機器人相關(guān)探究，切實可行。

參考文獻：

[1]趙生傳，趙玉良，李明，許崇新，趙閱群.帶電作業(yè)機器人遙操作主從冗余機械臂研究[J].電工技術(shù)，2019（11）：58-60.

[2]馬孝林.高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)機械臂的ANSYSWORKBENCH設(shè)計及優(yōu)化[D].山東建筑大學，2018，28（06）：22-25+34.

[3]姜振廷，鄭忠才，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度機械臂有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化，2018，36（01）：109-110+123.

[4]李健，姜振廷，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的帶電作業(yè)機械臂模態(tài)分析及振動控制[J].制造業(yè)自動化，2018，36（01）：48-51+65.

項目名稱：配網(wǎng)帶電作業(yè)智能機械臂關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究（項目編號：050100KK52170012）