基于ANSYS Workbench的机器人大臂的静力分析

基于ANSYS Workbench的机器人大臂的静力分析

焊接机器人的大臂结构是机器人本体的重要组成部分，结构的中间段是中空的。由上一章的动力学分析得出的结论可知，当大臂处于水平位置时，大臂所处工况最为恶劣，所以以此时大臂受力情况为边界条件进行有限元分析最有代表性。

(1)定义材料

大臂采用的材料为ZL 104，屈服强度220MPa，抗拉强度为270MPa。在ANSYSWorkbench中材料属性设置如表3.1所示:

(2)划分网格

先在SolidWorks中对大臂的三维模型进行简化，将倒角、螺纹孔等微小特征忽略。由于大臂几何模型较复杂，选择Solid 187单元对大臂进行有限元网格划分、因为Solidl 87具有二次位移特性，是高阶3位10节点的四面体实体单元，对复杂的几何模型能够很好的贴合。

划分得到的最终网格模型如图3.1所示，共有283249个节点，172508个单元，采用“Skewness”检查单元质量，得到如3.2所示网格质量统计图，平均值在0.33左右，网格质量较好。

(3)定义大臂载荷和边界条件

大臂是PR 1400焊接机器人中的主要受力零件，由第二章的结构分析可知，大臂两末端都与RV减速器相连，RV减速器分别与肩部及肘部连接。在大臂与肩部相连接处施加固定约束，大臂与肘部连接关节简化为相应的藕合约束，施加在肘部与大臂的连接面，然后将作用力与力矩施加在连接面上。

大臂一共承受两个力的作用和一个力矩的作用，分别大臂自身重力，前端部件和6Kg额定载荷的重力以及前端部件和6Kg额定载荷对其的力矩。由上一章得到的大臂在危险姿态下的受力情况可得，肘部对其作用力Fy=-368.71N,Fx=0N;肘部对大臂力矩Mx=43472N·mm，My=0N·mm,Mz=118830N·mm。大臂自身重力通过施加重力加速度表示，g=9.8066m/s2。大臂的边界施加情况如图3.3所示，其中A标签表示重力加速度;B标签表示大臂根部的固定约束;C标签表示肘部对大臂作用力:D标表示为肘部对大臂力矩。

(4)分析结果

在网格划分，边界条件施加结束后，进行仿真运算得出大臂的应力云图如图3.4所示变形云图如图3.5所示。

焊接机器人通过ANSYS Workbench分析的结果可以看出，大臂的最大等效应力仅为10.149MPa，主要位于两端螺旋连接处及大臂底面与侧面交接处。这两个区域是大臂与肩部及肘部连接位置，承受了主要载荷。大臂最大变形量为0.043189mm，位置位于大臂与肘部相连处。大臂所采用的材料为ZL 104，其屈服强度为220MPa，抗拉强度为270MPa，大臂结构静态强度十分充裕。通过分析看出，可以对大臂进行结构优化，减轻大臂重量，降低驱动能耗。