基于ANSYS的喷涂机器人摆杆模态分析

占晓煌 ，陈润六 ，邹晓晖 ，郑小民 ，王红州 ，张志勇

（1.江西制造职业技术学院，江西 南昌 330095；2.江西省机械科学研究所，江西 南昌 330002）

基于ANSYS的喷涂机器人摆杆模态分析

占晓煌1，2，陈润六1，2，邹晓晖1，2，郑小民1，2，王红州1，2，张志勇1

（1.江西制造职业技术学院，江西 南昌 330095；2.江西省机械科学研究所，江西 南昌 330002）

本文以喷涂机器人的摆杆为研究对象，利用SolidWork建立了几何模型，将摆杆模型保存为Parasolid格式并导入到ANSYS有限元分析软件。对喷涂机器人摆杆的结构进行了有限元模态分析，获得了喷涂机器人摆杆前10阶的固有频率。并通过临界转速计算公式获得了临界转速，验证了喷涂机器人摆杆的结构设计能够满足使用要求。为其下一步进行优化设计提供了理论依据，有利于提高喷涂机器人的可靠性与寿命。

模态分析；固有频率；ANSYS

机械振动是机械系统在其平衡位置附近的往复运动。振动会降低机械动态进度和使用性能。共振是工程中重要的概念，它在激振力频率与系统固有频率接近时发生，所以计算振动系统的固有频率或临界转速具有重要意义。

摆杆是喷涂机器人的核心功能部件，喷涂机器人工作时，其摆杆在运转过程中会受到各种作用力的影响，如果摆杆发生强烈振动，喷涂机器人的工作精度、可靠性以及寿命会受到很大影响。

为了验证喷涂机器人摆杆的结构是否具有合理性，尤其是在工作时是否会发生共振情况，因此，必须对其进行模态分析。本文运用三维软件SolidWorks和有限元软件A NS Y S对喷涂机器人摆杆进行模态分析，根据分析的结果提出优化策略。本研究对实现动态特性优化和指导实际生产都具有重要意义。

1 喷涂机器人摆杆有限元模型的建立

考虑到喷涂机器人摆杆结构复杂，选择软件SolidWorks进行建模。并对模型进行了合理的简化处理：（1）将摆杆模型中的小圆角、小倒角和退刀槽等特征去除；（2）忽略因焊接造成零件本身的弯曲刚度等影响。利用Solidworks建立出该摆杆的三维几何模型，如图1所示。然后将摆杆模型输出为Parasolid格式并导入到有限元分析软件A NS Y S中。而后将导入的模型进行修复以形成几何实体模型。建立有限元模型还必须对单元类型、材料属性、网格划分等设置。设置有限元模型单元为Solid45，材料属性设置参数如表1所示。

图1 实体模型

表1 摆杆参数

网格划分产生的单元数量直接影响计算量和计算精度，由于模型结构复杂因此采用自由(F r e e)网格划分，取划分大小为5 mm。共划分生成实体单元47947个，节点15953个，得到如图2所示的实体单元的有限元模型。

图2 有限元模型

2 喷涂机器人摆杆的模态分析

根据机械振动力学可知，摆杆的振型是由所有阶次的固有振型进行相加而成的，并且对整个结构的振动特性起主导作用的前几阶次的固有振型决定了整个结构的振动特性基本上也是前几阶有振型。由于摆杆的低阶模态才对摆杆的振动分析有实际的参考价值，故此次模态分析只计算摆杆的前10阶固有频率。

模型的约束方式不同，对模态分析产生的结果也不同，边界条件发生变化，产生的的模态也会发生变化。针对喷涂机器人实际运行情况，采取对摆杆端面施加固定约束。

通过A NS Y S定义喷涂机器人摆杆的定义边界条件、设定模态分析项和分析求解，最后得到摆杆前10阶固有频率结果如表2所示。

表2 摆杆前10阶固有频率

3 喷涂机器人摆杆的临界转速

若喷涂机器人在工作时，运转速度不断提高到达一定速度后就会逐渐出现振动现象，并在某一转速达到共振，则这个转速称为临界转速。机器人短时间在临界转速下运转会导致机器人喷涂精度发生偏差，若长时间在临界转速运转则会使得摆杆疲劳加速和使用寿命缩短。

在实际工作条件下，影响喷涂机器人的临界转速因素多种多样，例如摆杆结构尺寸、材料属性、预紧方式和使用环境等。根据摆杆的使用要求和结合具体喷涂机器人的结构特点建立简化模型。喷涂机器人摆杆的临界转速和频率的关系可以简化为：

式中，N为临界转速（r/mi n）；f为频率（Hz）。

将A NS Y S分析所获得的摆杆前10阶固有频率代入式（1），得到摆杆前10阶固有频率所对应的临界转速。摆杆的一阶固有频率值为415.90 Hz，对应的临界转速为24954 r/mi n。为了确保喷涂机器人摆杆工作时具有可靠的精度，摆杆运转时的转速必须低于该摆杆一阶临界转速的75%。

喷涂机器人实际运行最高转速为2000 r/mi n，与该摆杆的一阶临界转速24954 r/mi n进行比对，可明显得知该摆杆工作时最高转速都远低于计算得出的一阶固有频率对应的临界转速的75%。而一阶以后各阶固有频率对应的临界转速更高，所以可以得出该摆杆在工作运转过程中不会出现共振现象，可以保证该喷涂机器人的可靠性和精度。

4 结语

（1）本文采用SolidWorks三维设计软件建立了摆杆的几何模型，再将几何模型导入A NS Y S分析软件中进行网格划分，得到了摆杆的有限元模型。

（2）通过自由振动方程求得摆杆的模态矩阵，并通过A NS Y S对摆杆进行模态分析，得出其前10阶固有频率。

（3）根据临界转速与频率简化公式，计算得到该摆杆前10阶固有频率的临界转速。摆杆运转时的转速低于该摆杆一阶临界转速的75%。得出该摆杆在工作运转过程中不会出现共振现象，可以保证该喷涂机器人的可靠性和精度。

（4）本文建立的喷涂机器人摆杆模型、有限元模型和模态分析结果，可为该摆杆后续进行结构优化设计提供支撑数据。

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TP242；TP273

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：1671-0711（2017）12（下）-0086-02

江西省教育厅重点课题：基于触摸屏和P MA C的喷涂机器人控制系统研究（项目编号：G J J 151484）。