某机器人框架加强方案的静力及模态分析

王富刚 张广涛

摘   要：机器人框架是机器人外部设备的支撑，决定了机器人的稳定性。因此在预研阶段对框架的力学性能分析尤为重要。文章利用Abaqus进行计算，一方面进行模态分析，另一方面分析模型静力，校核是否满足强度要求。通过对比两种加固方案，最终确定框架方案。

关键词：机器人;模态分析;静力分析;框架

1    模型介绍

门岗机器人框架采用等边角钢进行搭建，其模型如图1所示，其中A为方案一模型，该方案在框架的两侧增加矩形框架。B为方案二模型，在框架中周向加4根角钢。

2    计算分析

2.1  加载设置

（1）频率提取。对模型进行模态分析，获取框架整体的固有频率和主要模态振型。

（2）静力加载。对框架进行力学加载。根据框架外设备质量，加载200 N静压力。再根据转动电机扭矩，加载5 N·m的扭矩。

2.2  模态计算结果

模型计算后，其主要频率分布如表1所示。

方案二模态较方案一有较大改善，体现在前几阶固有频率值上，有了一定增加，说明整体刚度有了一定提升。

3    静力学分析结果

方案一力学分析结果如下：

图2中，A为应力分布情况，应力最大位置位于加强结构与支撑角钢的连接处，最大值为7.4×106 Pa，远远小于其材料屈服强度。

B为变形量云图，最大位移位于顶端，其最大变形量为3.4×10-4 m。

C为方案二应力分布情况，其中应力最大的位置同样位于加强结构与支撑角钢的连接处，最大应力值为2.1×107 Pa，小于其材料屈服强度，但较方案一有所增加。

D为变形量云图，最大位移与方案一相同，其最大变形量约为4.4×10-4 m，表明加强结构对于框架刚度有一定提升。

4    结语

机器人框架在强度和整体刚度上均满足使用条件。框架的应力值和变形量都在允许范围内。整体模态分析结果表明，方案二的整体模态更加有利，对于整体刚度也有较大提升，因此建議选用第二种结构方案。

[参考文献]

[1]曲道奎.中国机器人产业发展现状与展望[J].中国科学院院刊，2015（3）：342-346.

[2]尹婧.林间步行机器人的运动特性与动态仿真[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[3]杨国良.工业机器人动力学仿真及有限元分析[D].武汉：华中科技大学，2009.