基于ANSYS技术的主从控制机械臂支承架模态分析及优化.pdf

基于ANSYS技术的主从控制机械臂
支承架模态分析及优化

Themodalanalysisandoptimizationofmaster-slavecontrolmanipulator
ofsupportingframebasedANSYS
李健，戚晖，赵玉良，陈凡明
LIJian,QIHui,ZHAOYu-liang,CHENFan-ming
（山东电力研究院，济南250101）
摘要：针对主从控制机械臂支承架的特点，利用ANSYS对机械臂支承架进行了模态分析，并在此基
础上分析支承架模态振型对主从控制机械臂性能的影响，找到了支承架振动的薄弱部位，通
过在关键位置安装加强筋优化支承架结构。结果表明优化后主从控制支承架性能稳定，最大
变形量小，振动降低，符合减振降噪的目的。
关键词：主从控制机械臂；支承底架；ANSYS；模态分析；优化设计
中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：1009-0134(2011)6(上)-0012-04
Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.6(上).04

0引言实体模型建立合理与否对接下来的网格划分
主从控制机械臂具有良好的工业化产品特性,以及最终计算结果的准确性具有重要的影响。支
控制实时性较好，操作简便，运行可靠，可替代承底架结构较为复杂，分布有各种加强筋、凸台
人工完成作业频率较高的任务[1]。主从控制结构要和纵横加强腹板。同时，作为机械臂的主要承力
求主手操控和从手机械臂分开安装在各自的支承部件，在工作过程中其受力情况也极为不均匀，
底架上，通过操控主手实现从手机械臂的同步动既要承受自身载荷对支承架作用力，又要承受作
作。因此，支承底架作为机械臂的支承骨架，是业过程中外加载荷施加底架的作用力及力矩。其
安装附件及其他零部件的基础，并保持主从手在结构和受力的复杂性决定了它是机械臂的关键部
工作过程中相对准确的位置。支承底架结构的设件，直接影响机械臂整机性能和可靠性。
计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生
裂纹，也不能出现过大变形。
本文针对主从控制机械臂支承底架的结构特
点，利用三维软件建立实体模型，并通过有限元
分析软件对其进行模态分析，得出了支承底架在
承受工作载荷工况下固有频率和模态振型，通过
振型分析找到了支承架振动的薄弱部位,提出了相图1支承底架三维实体建模
应的改进方案，进行结构优化设计，减小支承架在利用三维软件建立其实体模型时不可能每
变形和振动，降低系统噪声，为改善支承强度、一个细节都一一考虑，综合考虑计算精度的影响
改进底架结构设计提供了理论依据。及有限元模型的计算规模，根据圣维南原理，对
1主从控制机械臂支承架有限元模型部分局部特征进行了如下简化：1）忽略底架内部
工艺孔；2）忽略各加强筋处的过渡圆角；3）忽
的建立略除主支承孔以外的小螺栓孔。建成的实体模型
1.1支承架实体模型的建立如图1所示。

收稿日期：2011-02-10
基金项目：山西长治10kV带电作业机器人实用化研究
作者简介：李健（1977-），男，山东临沂人，研发工程师，研究生，主要从事机械结构设计、仿真模拟、机械动态特
性分析、振动与噪声处理等方面的研究。

【12】第33卷第6期2011-6(上)
设结构作下述简谐运动：
(3)
把上式代入式(2)，可得齐次方程，如下：
(4)
在自由振动时，结构中各结点振幅{φ}不全
为零，因此式(4)中括号内矩阵的行列式之值必为
零，由此得到结构自振频率方程，即：
图2支承底架有限元模型
(5)
1.2支承架有限元模型的建立结构刚度矩阵[K]和质量刚度矩阵[M]都是n阶
实体模型以IGES格式导入有限元软件。进行方阵，其中n是结点自由度的数目，所以式(5)是关
有限元网格划分时，首先必须确定单元类型[2]。于ω2的n次代数方程，由此可求得n个固有频率

选用十结点四面体单元进行网格划分，该四面体ωi(i=1,2,3...,n)，对于每个固有频率，由式(4)可确
单元通过10个节点来定义，每个节点有3个沿着定个结点振幅构成的一个列向量
X，Y，Z方向平移的自由度，它具有二次迭代，工程上称为振型，其振幅
的特性，对边界拟合的能力强，适用于划分由各构成固定的形状，绝对值可以任意变化[4]。到此，
种CAD/CAM导入的不规则网格的模型[3]。主从通过求解式(5)便可求得系统的固有频率及其对应
控制机械臂支承底架材料为HT200，其弹性模量的振型。
E=1.5×105MPa，泊松比µ=0.28。划分网格时，3主从控制机械臂支承架模态分析
首先对加载部位进行尺寸控制，然后在网格划分
3.1边界条件的施加
工具对话框中选择6级精度对模型进行自由网格划
主从控制机械臂支承架在实际工作状态下，
分，划分后分别得到64194节点和