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基于ANSYS WORKBENCH的六自由度机械臂有限元分析及结构优化


1 六 自由度机械臂有 限元分析
1 . 1 有限元模型的建立
臂构 件 较 多且 等 效 简化 后造 型 简单 , 因此 可 以选 用Me c h a n i c a l , 网格 大 小 为 2 0 , 自动 网格 划 分 ,如 图1 所 示 ,节 点数 量 为4 7 4 4 2 ,单 元数 为2 2 8 1 2 。后
下 点 :
行 的可 靠 性 ,需 要 对 其 进 行 机 械 结 构 分 析 。近 年
来 对 机 械 结 构 的 分 析 已 经 从 结 构 静 力 学 延 伸 到 了
动 力 特 性 领 域 ,特 别 是 对 振 动 分 析 的 模 态 仿 真 已
1 )简 化 各种 连 接 ,将 齿轮 啮 合 简化 为 轴 和孔
姜振 廷 ,郑忠 才 ,董 旭
J l ANG Zh e n . t i n g,ZHENG Z h o n g . c a i , DO NG Xu
( 山东建筑大学 ,济南 2 5 0 1 0 1 )
摘 要 : 六 自由度机械臂作为机器人的 主要执 行机构 ,其机械性能决定 了工作的可靠性 。论文针对机械 臂的整体结 构进行 静力学特性和 振动特 性研究 ,基于A N S Y S WO R K B E N C H 的有 限元分析功 能 ,得到 了静 力学仿真和 模态仿 真的结果 ,并对 结果进行 了分析 ,在此基础 上对机械 臂进行 了减重优化 ,通过模态分析 ,验证 了优 化结果的可靠性。 关键 词 :机械臂 ;有限元 ;A N S Y S WO R K B E N C H
限 元分 析 。
软 件 中完 成 材 料 属性 的加 载 ,接 触 面 的 约 束 , 网
格 的 划 分 。 其 中 机 械 臂 连 接 部 分 及 夹 持 手 材 料 为 不 锈钢 , 弹性 模 量 l 9 3 G P a ,泊 松 比0 . 3 1 , 密度 7 7 5 0 k g / m。 ,其 他 部 分 等效 为硬 铝 合 金 ,弹 性模 量 7 1 GP a ,泊松 比0 . 3 3 ,密度 2 7 7 0 k g / m 。接 触面 选用 Bo n d e d 和N o S e p a r a t i o n 两种 面约 束 定义 , 由于 机械
被 广 泛 采 用 。 同时 有 限 元 分 析 作 为 近 代 工 程 领 域 应 用 最 广 泛 的 数 值 分 析 的方 法 ,其 可 靠 性 已被 广
泛验 证 。
静 力 学 分 析 是 机 械 结 构 设 计 的基 础 ,本 文 对
六 自 由度 机 械 臂静 力 学 研 究 的 是 在 自身 重 力 的 情 况 下 , 机 械 臂 保 持 静 平 衡 时 各 个 关 节 的 受 力 情
中图分类号 :T P 2 4 1 文献标识码 :A
文章编号 :1 0 0 9 —0 1 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1 ( 上) 一0 1 0 9 ~ 0 3
D o i :1 0 . 3 9 6 9 / J . i s s n . 1 0 0 9 — 0 1 3 4 . 2 0 1 4 . 0 1 ( 上) . 3 1
有 限 元 仿 真 过 程 主 要 分 为 前 处 理 和 后 处 理 两 个 阶 段 , 其 中 前 处 理 阶 段 主 要 完 成 的 流 程 包括 :模型从 P r o / E n g i n e e r 软 件 导 入 到 ANS YS wORK BE NC H 软 件 ,在 ANS YS WO RKB E NC H
的配 合 ,将 螺栓连 接 简化 为面 接触 。 2 )忽 略 螺纹 和 倒 角特 征 , 忽略 电位 器 及 相应 的 固 定 构件 和 线 路 ,忽 略 次 要 的 空 、 台特 征 ,将 质量进 行 等效 分布 。 3 )依 据液 压 系统 的位 置特 点 ,采 用 等 效配 重
论 ,采 用 有 限 元 法 对 带 电作 业 机 械 臂 振 动 特 性 进 行 分 析 ,得 到 了 机 械 臂 前 四 阶 模 态 下 的 振 动 特
性 。通 过 分 析 对 机 械 臂 进 行 部 分 优 化 ,进 一 步 满 足 带 电 作 业 特 殊 工 况 的 需 求 。 由于 机 械 臂 结 构 复 杂 ,本 文 选 用P r o / E n g i n e e r 软 件 进 行实 体 建 模 ,依 靠ANS YS WOR KBE N CH软 件 完 成机 械 结构 的有
况 ,为 机 械 臂 强度 的 改 进提 供 指 导 。模 态分 析 作 为 近 代 研 究 结构 动 力 特性 的一 种 方 法 ,被 广泛 应 用 于 工 程 振 动 领 域 。文 章 运 用 数 值 模 态 分 析 理
原 理将 液 压缸 、马 达及 管路 进行 等效 简化 。
1 . 2 有限元仿真
0 引言
作 为机 器 人 直 接 执 行 机 构 ,六 自由 度机 械 臂 具 有 结 构 简便 、运 动 灵 活 等优 势 , 因 此 在工 业机 器 人 领 域 的到 了广 泛 的 应用 。为 了保 证 机 械 臂 运
由于 机 械 臂 采 用 液 压 驱 动 ,且 结 构 紧 凑 ,构 造 比较 复 杂 。在 模 型 建 立 过 程 中可 以依 据 等 效 刚 度 代 换 理 论 ,将 具 体 结 构 进 行 有 效 的 处 理 和 简 化 。对 带 电 作 业 机 械 臂 机 进 行 等 效 简化 主 要 有 以

匐 似
基于A NS Y S WO R K B E NC H的六 自由度机械臂 有限元分析及 结构优化
A nal ysi s and i m pr o v em ent of 6 - DO F m ani pul at or b ased on A NSYS W o RK BENCH
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