基于ANSYS软件的四轴工业机器人小臂自由模态分析

郜福亮， 张识超， 刘进福， 张文举

（1.常州铭赛机器人科技有限公司，江苏常州213164；2.常州先进制造技术研究所，江苏常州213164；3.71352部队保障部，河南安阳455000）

基于ANSYS软件的四轴工业机器人小臂自由模态分析

郜福亮1， 张识超2， 刘进福2， 张文举3

（1.常州铭赛机器人科技有限公司，江苏常州213164；2.常州先进制造技术研究所，江苏常州213164；3.71352部队保障部，河南安阳455000）

四轴工业机器人的小臂是机器人结构中的主要部件，小臂的结构及其性能直接影响整个机器人的精度和性能，对小臂自由模态的分析至关重要。利用有限元分析软件ANSYS对四轴工业机器人的小臂进行模态分析，自由模态分析能够对小臂的刚度及整个机器的稳定提供理论基础。

模态分析；固有频率；回转频率

0 引言

目前，随着科学技术的发展，机器人广泛地应用于工业领域，为企业节省了大量的劳动力，也为企业解决了招工困难等一系列问题。由于其精度高，能够适应各种恶劣的工作环境，工业机器人已成为未来工业发展的一个趋势。同时工业机器人能够大大地提高工作效率，为企业降低人工成本和生产成本。

四轴工业机器人的小臂是整个机器人系统中的主要机构之一，小臂的结构及其性能直接影响整个机器人的精度和性能。小臂在运动过程中振动频率对小臂的性能有着直接的影响，小臂的固有频率和小臂的刚度、强度有着直接的关系。本文利用有限元分析软件ANSYS对四轴工业机器人的小臂进行自由模态分析，自由模态分析能够对小臂的刚度及整个机器的稳定提供理论基础。

1 模态分析理论基础

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点。模态分析的要点是在积分运动方程以前，利用系统自由振动的固有振型将方程组转换为n个相互不耦合的方程，对这种方程可以解析或数值地进行积分。模态分析就是对以下几个方程的求解。

2 有限元模型的建立

由于四轴工业机器人的几何模型非常复杂，在ANSYS里面建模比较麻烦，所以使用专业的三维建模软件SolidWorks对机器人进行建模，并简化机器人的模型，根据圣维南原理，采用等效质量体代替，然后导入到ANSYS软件中。

本文中小臂使用的材料为铸钢，其弹性模量为7.1× 1010Pa，屈服极限560 MPa，，密度7 800 kg/m3。采用自由网格划分，网格总数为6 659，共有13 210个节点。小臂在实际工作过程中，只有绕Z轴的转动，因此将小臂下端连接处X、Y方向固定。

3 模态分析求解

将上面定义的约束添加到建立好的小臂模型，然后对小臂进行求解分析，得到小臂的各阶模态的振型，如图1所示。根据模态分析的结果，可以得出：小臂的固有频率较高，一阶固有频率已达到62 Hz，运动机构所采用的伺服电机额定转速为3 000 r/min，其回转频率为50 Hz，远小于小臂的一阶固有频率，因此小臂本身的刚度已满足设计需要，不需再提高其固有频率。小臂的固有频率虽已达到设计要求，但其固有频率偏低，这可能导致整个运动机构的固有频率更低，从而与激励频率发生耦合而产生共振，且其前两阶振型都主要表现为整体作平移振动，说明小臂上下两端刚度不足，比较薄弱，对整个运动机构的稳定性影响较大。为提高运动机构整体的固有频率，保证整体的稳定性，需要对小臂进行改进优化，加强其刚度。

图1 模态振型

表1 小臂的固有频率和振型特征

4 结论

运用ANSYS建立了四轴工业机器人小臂的有限元模型，对小臂进行了模态分析，分析发现小臂的一阶固有频率高于电机的回转频率，小臂本身的刚度已满足设计需要，但是其固有频率还是偏低，特别是小臂上下两端刚度不足，比较薄弱，还需要对小臂进行改进优化，加强其刚度。

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（编辑昊 天）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0154－02

郜福亮（1986—），工程师，研究方向为机器人及职能装备。

2014-03-03