基于ANSYSWORKBENCH的带电作业机械臂模态探究

陈柏希 段绍全 王斐宏 蔡文辉

摘 要：在带电作业姿态下，机械臂是配电网作业机械的主要执行者，机械臂的性能直接决定了机器人工作质量与效率，开展工作的可靠性等。本文借助Pro软件或Engineer软件，建设了在两种典型位姿下机械臂的实体模型，运用ANSYSWORKBENCH软件，设定为预荷载状况，对不同位姿下结构静力学的特性，其模态特征等开展分析。在模态分析结果基础上，实施动力学前馈补偿，自主控制机械臂的振动，抑制其工作过程内的振动现象，确保工作开展效率与质量。

关键词：ANSYSWORKBENCH;机械臂;振动抑制;模态分析

自经济全球化发展，人们对电力供应提出了更高的要求。在电力系统研究中，带电作业属于重要领域，其作业标准与质量直接关系着国家供电技术与供电实力。就实际情况而言，人工带电作业本身困难较大，却存在着较大的局限性。此方面机器人的开发与研究十分有必要[1]。自20世纪80年代中期开始，国外很多国家开始了带电作业机器人的研究，走在前沿的当属日本、美国、西班牙与加拿大。我国是20世纪90年代才开始的相关研究，但经过短短的几年，已经取得了较大的研究成果。

有限元分析法在近代工程内得到了广泛的应用，主要集中进行数值模拟，可靠性比较明显。本文主要选择的是有限元ANSYSWORKBENCH软件开展分析，深入剖析机械臂整体结构[2]。选择最大水平伸展、最大垂直伸展位姿，开展ANSYSWORKBENCH分析。在分析试验过程中，综合考虑机械臂的实际持重情况，并施加预荷载。通过分析机械臂模态仿真，获得两种典型位姿下，机械臂的6节模态振型。在仿真结果基础上，探索抑制机械臂振动的有效措施——动力学前馈补偿。

作为带电作业下的主要执行机构，机械臂本身的性能直接影响着作业安全与质量。因此，对带电作业机械臂机械性能的分析，具有十分重要的现实意义。本文主要探讨的是ANSYSWORKBENCH软件下，带电作业机械臂模态，详细分析如下。

1 带电作业机械臂模态分析

1.1 有限元模型的建立

带电作业下的机械臂本身拥有6个自由度，其组成结构比较复杂。在进行模型建立过程中，需要结合等效刚度代换理论，处理具体的结构，并对其简化。笔者结合实际与文献资料，认为带电作业条件下的机械臂，其等效简化主要包含以下三点：

（1）可以将各种连接、各种配合简化，比如，可将齿轮、啮合简化，分解为轴与孔，通过将螺栓与键之间的连接简化，以此转换为面接触。

（2）可将螺纹与倒角的特征忽略掉，将电位器与相应的固定构件忽略掉，并将其构件与线路忽略掉。不仅如此，还可以将空特征、台特诊忽略掉，以此开展质量的等效分布。

（3）结合液压系统的特点，选择等效配重原理，有效简化马达、液压缸及管路。通过开展适当的简化，可建设最大水平伸展、最大垂直伸展典型姿态下的机械臂模型[3]。在最大水平伸展位姿下，大臂关节与肩部关节之间的角度可保持到60°，机械臂此刻的最大承重为45kg。在最大处置伸展位姿下，肩关节为俯仰姿态，角度为120°，此阶段机械臂最大的持重为82.0kg。

1.2 模态仿真

在开展机械臂仿真前，需要先定义材料属性，分析连接关节的类型。就机械臂上的各个构件，在对材料开展属性加载时，应当综合考虑建模过程中，结构的简化问题。就机械臂连轴部位、夹持手部位的材料，可选择不锈钢。关节通过面约束实现，综合考虑机械臂的结构特点。

本文选择的是Bonded、No Separation两种面对机械臂各个构件进行约束，接触面进行约束。选择CFD模式，网格划分机械臂，其粗细均选择-50，划分连接轴部分。

本文就机械臂连轴部分与夹持手部分弹性模量选择的是193GPa，泊松比设置的为0.31，密度设置为7750kg/m3;其他部分为71GPa，0.33，2770kg/m3。网格划分节点数为62180，单元数为243508，其结构如下图1所示。

1.3 仿真结果的分析

（1）结构静力学，通过分析机械臂结构静力学方针，可获得机械臂最大水平伸展时的压强（99.24MPa），强度集中在肩关节、大臂关节连接位置。机械臂最大垂直伸展压强（4381MPa），强度集中在大臂关节与小臂关节连接位置。关节连接部位是不锈钢材料，最大压强极限为200MPa，比机械臂实际工况承受压强大很多，整体结构可满足工作要求[4]。手抓关节位置出现了最大位移，展现了关节变形情况与叠加情况。手抓关节最大位移为3.8874mm，规定最大伸展位移0.43246mm，已经超出了规定值。机械臂在开展基线工况时，要朝着水平方向伸展。

（2）模态仿真，通过分析下表，下表模态振型数据可得知。①在同一位置与姿势下，若在规定的承重范围内，是否需要增加机械臂的荷载，是否会对固有频率产生影响等问题，完全可以忽略，主要是因为外加荷载对机械臂自身的固有频率影响微乎其微。②不同位置与姿势下，在其持重范围内，机械臂自身固有频率变化，振型变化不大，随着阶数的增加，使得其变化也愈发明显。可得知机械臂属于装配体，其位置与姿势对固有频率、振型会产生相应的影响，但是若阶数处于较低标准时，其影响不大。

2 振动控制手段

机械臂本身的1阶、2阶固有频率较低，自主控制实现所带来的影响更加明显。为有效抑制机械臂的振动，可选择动力学前馈的补偿控制方案。借助滞整形过滤器模块，动力学前馈的补偿器模块共同组成的振动控制系统。本身结构比较简单，可更好的实现。如下图2所示，整形器接收到的路径控制器信号，机械臂传导的振动脉冲信号，驱动器输出整形后的信号，能够同时为驱动系统提供动力学补偿。

3 结语

综上所述，本文是在等效刚度基础上，虚拟建模机械臂结构，可确保模态仿真的真实性与可靠性。使得连接与传统也实现了等效，但只能获得某一部分的整体情况。

通过建设机械臂的预荷载模态，可实现工作情况的真实模拟与仿真，确保数据的可靠性，结构的最优化，验证了该机械臂结构的合理性。

就机械臂的固有频率，对主动控制有显著的影响，可有效抑制振动，促使其高效工作。

可见，在ANSYSWORKBENCH软件基础上，开展带电作业机器人相关探究，切实可行。

參考文献：

[1]赵生传，赵玉良，李明，许崇新，赵阅群.带电作业机器人遥操作主从冗余机械臂研究[J].电工技术，2019（11）：58-60.

[2]马孝林.高压带电作业机器人作业机械臂的ANSYSWORKBENCH设计及优化[D].山东建筑大学，2018，28（06）：22-25+34.

[3]姜振廷，郑忠才，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度机械臂有限元分析及结构优化[J].制造业自动化，2018，36（01）：109-110+123.

[4]李健，姜振廷，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的带电作业机械臂模态分析及振动控制[J].制造业自动化，2018，36（01）：48-51+65.

项目名称：配网带电作业智能机械臂关键技术及应用研究（项目编号：050100KK52170012）