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基于ANSYS重载机械手的静态分析和模态分析

机器人技术与系统国家重点实验室，

黑龙江哈尔滨，中国哈尔滨工业大学

光-电-机电一体化的实验室

黑龙江哈尔滨，中国哈尔滨工业大学

zangxizhe@hit.edu.cn

关键词：重载机械臂，ANSYS Workbench，静态分析，模态分析，优化。

摘要：在大型多用途部署的系统中，重负荷机械臂的远程维护是非常重要部分，在整个系统中的起着关键作用。利用Pro / E完成机械臂的建模和装配，通过利用Pro / E和ANSYS之间的无缝连接功能，将模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中完成结构的静态分析和模态分析。经过运算，通过静态分析得到机械臂的总体变形和静态刚度；通过模态分析得到其六阶固有频率值和模态。最后，方案结构修饰和新的控制方法，通过分析和比较所呈现的结果。最后，通过对结果的比较和分析，对结构和控制方法进行改进。

简介

近年来，由于使用化石能源而带来的能源短缺和环境问题，对人类社会的持续稳定发展已经造成了不良的影响。聚变能成为一个非常重要途径，去最终解决能源和环境问题。

目前，如图1所示的托卡马克式核聚变装置被广泛应用。其真空室处于高温、真空、强辐射和磁特性等极端环境条件。此外，聚变设备的内部部件会被放射性和有毒物质污染，且其反应堆内部的拆卸和修理步骤类型复杂、重量大并且定位精度高 。因此，我们需要在远程操控机器人的帮助下去完成一些常规的聚变设备外部维护工作。换句话说，没有机器人的话，在聚变方面的研究将没有任何意义。这个末尾附加了智能操作双臂，配有多功能多用途的维护工具的重负载机械臂，被应用于维护操作中去。比如真空室、中性束和热室插头的维护操作。整个大型多用途部署远程操作维护系统如图2所示。

图 1托卡马克核聚变装置 图 2远程维护系统

根据系统的要求，重负载操纵臂需要以下克服几个缺点，弹性差、低避障功能、超限关节和动态性能较差。并且它还应该具有沉重的负载能力，大运动空间和运动灵活性高。其最大载荷为500千克，定位精度为plusmn;10毫米。因此，在结构设计中需要扩大运动链的冗余自由度。其结果是，操纵器臂可以折叠和自由地膨胀，灵活地移动，避免障碍物，工作和地点容易。并在接头处配备三级内置齿轮减速传动，操纵器臂可以顺畅地移动。为了测试和验证设计是否符合性能要求，需要对重负载操作器臂进行静态分析和模态分析。

有限元软件ANSYS通常用来做静态分析和模态分析。ANSYS Workbench是ANSYS的新一代产品，主要用于解决实际问题，它继承了传统ANSYS强大的分析功能，还提供了更强大的处理功能。之所以选择ANSYS Workbench是因为，它可以直接与CATIA，Pro / E和其他CAD系统共享参数或和他们创造一个无缝连接，通过该连接ANSYS Workbench可以直接打开。对于装配体来说，ANSYS Workbench中具有自动装配关系，并自动创建触点元件，无需人工干预。随着先进的网格划分和控制功能，workbench还提供了丰富的素材库。

三维模型建立和导入

首先，创建ANSYS软件和Pro/ E软件之间的无缝连接，完成之后我们会发现一个ANSYS选项出现在Pro / E的菜单栏。其后我们就可以完成Pro / E软件的三维建模和装配。如图3所示是机械臂的不同状态，其中图3a（折叠状态），图3b（工作状态），图3c（完全伸展的极限状态）。在分析过程中，通过对完全伸出的状态建立分析模式进行分析，以确保所述操纵器臂的高安全性，如示于图3c认证。

图a 折叠状态 图b 工作状态 图c 折叠状态

然后简化的模型结构以缩短的网格划分时间，减少不必要的操作，确保分析的可行性。基于有限元分析的理论来看，固有频率和主体结构的模态形状主要与质量和刚度的分布有关。此外，传递关系和模型连接处的接触关系应予以考虑。主要应用以下三个方法对模型进行简化。首先，忽略一些对分析影响不大的圆角，倒角和孔；第二，忽略一些对结构刚性影响不大的部件，例如轴承盖；第三，使各传输系统作为一个整体的刚性部件，并使用一个销轴和孔接触来模拟关节。

建模完成后，单击菜单栏中的lsquo;ANSYSrsquo;选项，然后单击下拉菜单中的lsquo;Workbenchrsquo;，打开其分析界面。最后，该模型自动导入。这里，我们将连接在端子接头处的智能双重操作臂省略。

静态分析

静态分析的理论基础。采用线性静态分析，意味着在给定静载荷下的响应。约束力，应力和应变之间的关系是常函数。我们知道，在经典力学理论中，物体动力学的通用方程如下：

其中： [M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，

{x}为位移矢量，{F}为力矢量

因为在线性静力结构分析中力与时间无关，所以位移{X}可以由下面的矩阵方程解出：

满足以下假设的分析:K矩阵必须是连续的,材料必须线性弹性且满足小变形理论;F矩阵是静载荷。

静态分析的建立和预处理。选择工具箱静态结构的选择，建立导入模型的静态分析项目。首先，完成模型材料属性的设置：弹性E =2.0E 11，泊松比mu;=0.3，密度rho;=7850公斤/立方米的模量。其次，进入机械部分，修改或删除基于自动生成的一些接触，以获得更真实的接触关系。然后根据节点插入六面体单元的网格，其他选项保持默认设置。所生成的网格如图4.在详细清单我们看到它表明节点的数目为188858，元素的数量是52944。最后，添加载荷和约束。因为大重量不能被忽略，负载部分包括惯性载荷（重力）和结构负荷（最终负荷5000N）。

在三维模型中，重量是不是在Z轴，三维模型中重力不能够直接被添加。因此只能够通过在Y轴上添加相同的加速度值来取代重力值，然后在基底的平面添加固定约束，如图5所示。其中A：固定约束、B：负载、C：重力

图4 静态分析网格化 图5 载荷及约束

静态分析的结果与后处理。在结果部分，插入总变形和等效应力选项，然后点击默认设置进行计算。最终得到应力和变形云图，分别如图6和图7所示。结果表明，在操纵臂的端部最大挠度为6.825mm（小于10mm），且最大等效应力为197.07MPa。通过查找材料手册，45号钢的屈服极限是355 MPa，拉伸强度为600 MPa。结果符合材料性能和机械手臂的设计要求。

根据图7，将最大应力点作为节点1插入到等效应力分析，结果如图8所示，它表明，最大应力点是在接头的下部的凸台处。因此，可以认为，使在这部分的未来改型。

图6 总变形 图7 等效应力 图8 关节1的等效应力

模态分析

模态分析的理论基础。模态分析是动态的分析的基础，它可以得到结构的固有频率和振型。识别结构在不同类型的动载荷下的响应，并且能够预估其他动态分析中的控制参数。

固有频率主要用于计算分析工作频率或者避免共振的激励频率范围，用于振动分析，故障诊断和对结构动力学进行优化设计。根据经典力学动力学的通用方程，如公式1所示。在模态分析，假定它是无振动，无阻尼，所以方程变为方程3

[M]{uuml;} [K]{u} = 0

当发生简谐振动，所以方程变为方程4

[K]{x} = F

固有圆周频率omega;_i和模式形状f_i 可以从模态分析上述矩阵方程来获得。该方程的解为omega;_i²和本征值的平方根为omega;一个。特征向量{u}代表模态。

建立和模态分析的前处理，在工具箱中选择模态选项，建立导入模型的模态分析项目，材料特性、接触和网格的设置等同于静态分析中的设置。

结果和后处理方式的分析。

优化及比较

总结

在本文中，通过Pro / E软件完成重负荷机械手臂的三维建模，利用有限元分析软件ANSYS Workbench完成其静态分析和模态分析。通过静态分析，最终得到了机械手臂的最大变形6.825mm，最大等效应力是197.07MPa。结果均符合材料和结构设计要求。另外，也得到了危险点（最大应力点）的位置。通过模态分析，得到了前六阶固有频率和机械臂模态。

然后，根据静力学分析和模态分析的结果对结构进行优化结构。新的结果表明最大变形、最大等效应力等静态属性得到了显著改善。但是，它的固有频率和模态变化不大。和其他修改方案也不符合原来的要求。这一现象针对的基础上，未来可以利用主动振动控制的理论和复模态方法控制方法系统性的对其进行全面优化。

鸣谢

这项工作是由国家磁约束核聚变能源研究项目2012GB102004授权支持。

世界上第一台带驱动辊的立式辊磨机

托马斯bull;施密茨

高级行政经理

牛津大学 水泥-粉磨技术

蒂森克虏伯集团工业解决方案

波士顿大学 资源科技

贝库姆街道 德国

thomas. schmitz@thyssenkrupp. com

摘要

水泥生产行业市场需要更高效、灵活和大产能的工厂，是时候开发一种创新驱动的概念来应对这些要求：世界上第一个带驱动辊的立式辊压机。它不是像通常情况由立磨的磨盘驱动，而是由辊轮驱动。辊轮驱动对大型立磨的可靠驱动来说，是一种创新的驱动方法，在工厂的可用性方面具有明显优势；同时在工艺技术方面也具备优势，可以实现在立磨中更高效的粉磨。变速驱动器特别适合于应用于生产超细水泥和多品种的水泥的粉磨工厂。第一台磨辊驱动式的粉磨机正式投入运作，有力证明了其机械功能和运行可靠性。

简介

水泥生产商总是要求高效的水泥生产工厂。为了减少具体的投资成本，他们追求更大的规模。为了减少特定的CO2的排放，就要求工厂可以磨细水泥服务市场需求或尽可能多的降低熟料含量。在过去数十年水泥类型不停地增加，人们希望工厂能够在短期内实现产品转换，以适应研磨更多类型的水泥。复合水泥的日益重要性，也日益要求磨和干的聚合物可以含有水分，VRMs使用变得更加适合于这种应用。为以尽可能最佳的方式符合所有这些要求，一个创新驱动概念已被开发并成功推向市场： 辊轮驱动的立式辊磨机。立式辊磨机滚辊不是在磨盘驱动，会在哪里驱动，优点是什么？

辊轮驱动的优势

更优越的进料方式

第一个优点是辊轮驱动具有较好的材料吸合能力。在以磨盘为主动件的传统驱动设备中，磨辊的转动是由磨盘与材料层间的摩擦产生的。这时，磨盘的转动速度始终比磨辊大一些。因此，被粉碎的材料被压入研磨区，由于磨辊的速度不能跟上磨盘上的材料层速度;因此材料堆积发生在辊的前面。如果采用辊轮驱动，磨辊的速度会变得始终比磨盘快一点，材料会以更均匀的方式被拉入研磨间隙。不会出现堆积。

减低减速器的扭矩和能耗。

第二个优点是低功率和齿轮装置间低扭矩。如果是磨辊被驱动，则所需的驱动功率分布在3个，4个或甚至6个驱动器，这主要取决于磨辊适用数目。由于磨辊的直径通常比磨盘的小的多，因此磨辊的转速快一些，对于大多数的磨辊来说其转速是磨盘的两倍。对于驱动磨辊的齿轮装置来说，这意味着不仅降低驱动功率，另一方面，由于增加了一倍速度，传递的转矩也将减半。假设磨辊转速比磨盘快一倍，则对于具有3个驱动磨辊的磨机来说，这意味着每个单位输入功率减小到三分之一，而由每个齿轮箱传递的转矩甚至降低到六分之一。

这种特点在超大型的磨机中是非常有利，传统的利用中央减速器驱动磨盘的磨机，适用于以下的情况：磨盘较大、磨盘的旋转速度较低、较高的扭矩和具有较大的减速器。磨辊驱动的粉磨机，适用于以下条件：型号较大、磨辊数量较多、磨辊和磨盘之间有较大的速度差。通过下面两种粉磨机的对比，我们将更加清晰地看到两者在型号和驱动方面的不同之处。一台磨盘直径为5.1m，拥有3个直径为2.5m磨辊的磨盘驱动式的粉磨机，需要配备一个驱动器功率为4500千瓦的电机和额定设计能够传递2000kN*m扭矩的减速器。相同型号的3磨辊驱动的粉磨机，则仅仅需要3个磨辊均配备一个1500千瓦的电动机，和一个额定设计能够传递400kN*m扭矩的减速器。一台磨盘设计直径为6.8m，拥有6个直径为2.7m磨辊的更大型号的磨盘驱动式粉磨机，需要配备一个驱动器功率为10200千瓦的电机和额定设计超过5200kN*m扭矩的减速器。相同型号的6磨辊驱动的粉磨机，则仅仅需要6个磨辊均配备一个1700千瓦的电动机，和依旧是额定设计传递400kN*m扭矩的减速器。通过上面的实例我们不难发现，磨辊驱动的粉磨机相应的减速器仍然是比较小的扭矩，相反，在磨盘驱动式粉磨机中，驱动磨盘的减速器承受的扭矩则出现了急剧的增加。尽管产能上升，磨辊驱动的粉磨机依旧允许使用经过验证的标准减速器。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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