УДК 004

Структурный анализ и оптимизация конструкции робота вертикального перемещения на основе ANSYS

Ли Фудун – магистрант Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Бошляков Андрей Анатольевич – доцент Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Аннотация: Робот вертикального перемещения был разработан для замены людей, работающих на высоких стенах. Во-первых, SolidWorks был использован для моделирования робота в 3D и сборки прототипа. Во-вторых, с помощью ANSYS был проведен конечно-элементный статический анализ и модальный анализ структурной прочности робота в предельном положении, и результаты моделирования подтвердили надежность прочности робота. Наконец, была проведена структурная оптимизация для базовых шарниров, на которые действуют более сложные силы. После оптимизации масса сустава уменьшилась на 6,2%, деформация смещения уменьшилась на 52,4%, а эквивалентная сила уменьшилась на 25,2%. Полученные данные показывают, что оптимизированный базовый шарнир робота обладает лучшей устойчивостью к деформации.

Ключевые слова: робот вертикального перемещения, ANSYS, анализ методом конечных элементов, оптимизированная конструкция.

Введение

Робот с вертикальным перемещением относится к автоматическому механическому устройству, которое может перемещаться по вертикальной стене и выполнять экстремальные задачи [1]. Как важная отрасль робототехники, он имеет широкие перспективы развития и применения [2] и привлекает все большее внимание людей. Благодаря очевидным преимуществам работы робота с вертикальным перемещением по сравнению с ручным трудом, он имеет широкие перспективы применения в атомной, нефтехимической, судостроительной, пожарной и других областях [3]. Такие, как очистка наружных стен высотных зданий, испытания и обслуживание наружных стен резервуаров и котлов на нефтехимических предприятиях, напыление краски на поверхности кораблей и т. д. [4].

В последние годы быстрое развитие робототехники породило отрасль роботов с вертикальным движением, и все больше и больше исследователей посвящают себя исследованиям роботов с вертикальным движением, что также позволяет роботам с вертикальным движением заменить людей выполнять высотные операции.

В данной статье представлено исследование робота вертикального перемещения. Упрощенная 3D-модель робота построена и собрана с помощью SolidWorks, затем проведен конечно-элементный статический и модальный анализ для робота в определенном предельном положении. Для проверки надежности конструкции робота получено распределение напряжений и деформаций, а также первые шесть порядков модальных частот и формы вибрации робота в этих условиях. Конструкция базового шарнира робота также оптимизирована в соответствии с практическими требованиями для улучшения жесткости робота и достижения легкой конструкции, что обеспечивает теоретическую основу для оптимизации конструкции и исследования устойчивости.

Дизайн корпуса робота и создание модели

Робот вертикального движения с шестью степенями свободы состоит из нескольких регулируемых шарниров. Из-за сложной формы и множества частей робота для повышения эффективности и точности последующих расчетов методом конечных элементов модель необходимо упростить [5]. SolidWorks используется для построения 3D-модели робота, в которой игнорируются такие особенности, как отверстия и шпоночные пазы, которые оказывают незначительное влияние на вычислительный анализ. Упрощенная и собранная модель прототипа показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема конструкции корпуса робота.

Статический анализ методом конечных элементов

Статический анализ в основном анализирует распределение напряжений и деформаций робота под действием силы и момента в системе статического равновесия [6]. Упрощенная в SolidWorks 3D-модель робота импортируется в ANSYS Workbench через графический интерфейс, так что основание робота крепится к стене. Согласно предыдущим исследованиям и анализам, когда нижняя часть одного конца робота прикреплена к стене, а все соединения робота находятся на прямой линии, он находится в наиболее опасном положении, как показано на рисунке 2. Поэтому это положение выбрано для анализа напряжений и деформаций.

Рисунок 2. Положение робота в предельном положении.

Свойства материала и создание сетки

По экономическим и механическим свойствам материала основные детали робота вертикального движения изготавливаются из алюминиевого сплава, который имеет малый вес, коррозионностойкий и хорошо формуется [7].

Модуль упругости алюминиевого сплава E = 6,89*10^10 Па, плотность ρ = 2700 кг/м3, коэффициент Пуассона 0,33.

После настройки свойств материала масса модели робота может составлять 3,6 кг. Разбиение сетки конечных элементов не может быть слишком плотным, иначе это усложнит процесс решения, слишком слабое разбиение сетки повлияет на точность анализа и решения ^[8]. Поэтому, исходя из удовлетворения точности анализа, мы должны попытаться упростить процесс решения, повысить эффективность анализа, выбрать подходящий метод зацепления, разумно установить размер ячеек сетки и их разреженность. Размер единицы сетки модели установлен равным 1 мм, и после создания общей сетки создается 1 844 349 узлов и 994 447 элементов. Результат деления сетки робота вертикального движения показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Сетчатая модель робота.

Граничные условия и нагрузки

К одному концу вертикально перемещаемого робота добавляется неподвижная опора, и к роботу прикладывается дополнительная нагрузка в виде силы тяжести. Схема ситуации с удержанием робота и добавлением нагрузки показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схематическая диаграмма добавления ограничений и нагрузок.

Результаты анализа общей сборки, полученной из решения, показаны на рисунке 5. Согласно анализу конечных элементов, когда робот находится в крайнем положении, максимальная деформация составляет 1,61 мм , которая находится у основания дальнего конца, что составляет менее 1/1000 общей длины робота , что отвечает требованиям дизайна. Максимальное напряжение составляет 61,23 МПа, что намного меньше предела текучести выбранного алюминиевого сплава 455 МПа.

(а) Облако деформации

(б) Облако напряжений

Рисунок 5. Диаграмма облака деформаций и диаграмма облака напряжений общей сборки.

Модальный анализ

Процесс модального анализа робота с вертикальным подъемом аналогичен статическому анализу, в котором процесс создания геометрической модели, определения параметров характеристик материала, определения ограничений и разделения сетки аналогичен статическому анализу. На основе завершения вышеуказанного процесса его можно решить с помощью конечных элементов и получить результаты. Модальный анализ робота предназначен для проверки надежности конструкции системы, Если область концентрации напряжений статического анализа совпадает с большой областью модального смещения, это слабое звено конструкции. В данной работе проводится модальный анализ при наличии ограничений. Из-за нехватки места показаны только первые два режима вибрации, как показано на рисунке 6.

 (a) Форма моды первого порядка

 

(б) Форма моды второй моды

Рисунок 6. Первые шесть модальных форм робота вертикального движения.

Первые шесть собственных частот показаны в таблице 1.

Таблица 1. Собственная частота.

режим	Частота/Гц
1	17,422
2	20.281
3	57,565
4	80,928
5	153,54
6	227,28

Рабочие параметры системы получают путем модального анализа, и при эксплуатации конструкции следует избегать зоны резонанса.

Конструктивная оптимизация конструкции нижнего соединения

Переменные оптимизации

Согласно результатам модального анализа робота, еще есть возможности для оптимизации структуры робота. Сила, воздействующая на соединения, соединяющие основание, относительно сложна. Для дальнейшего улучшения общих характеристик робота будет проведена следующая "оптимизационная конструкция поверхности отклика" сустава. Эскиз конструкции показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Упрощенная схема соединения. (а) Аксонометрический чертеж, (б) вид спереди, (с) вид сверху.

Во-первых, статический анализ методом конечных элементов выполняется на базовом соединении . В соответствии с силой соединения в реальной работе, фиксированная опора используется на соединении одного конца соединения , а восходящая и нисходящая сила 30 Н и нагрузка на подшипник 10 Н соответственно применяются к соединению с вращающимся соединением, и ему присваивается атрибут гравитации, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Совместные граничные условия и диаграмма нагрузки.

После анализа моделирования можно получить диаграммы деформации и облака напряжений, как показано на рисунка 9 и 10.

Рисунок 9. Облачная диаграмма деформации сустава.

Рисунок 10. Диаграмма облака напряжений в суставах.

Статические параметры соединений приведены в таблице 2 . 

Таблица 2. Параметры статики сустава.

	масса/ кг	Максимальная деформация/ мм	Максимальное напряжение/ МПа
соединение	0,218	0,2786	27,665

Масса этой детали составляет небольшую долю от общей массы робота, а требования к качеству относительно низкие, а максимальное напряжение 2 7,665 МПа намного меньше, чем предел текучести алюминиевого сплава 4 55 МПа, поэтому содержание оптимизации в основном направлено на максимальную деформацию сустава.

После объединения предыдущего исследовательского анализа и обращения к соответствующей литературе параметры D1 и D2 в суставе выбраны в качестве переменных, начальное значение D1 составляет 60 мм , а начальное значение D2 составляет 85 мм, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Схематическая диаграмма переменных оптимизации.

Для его оптимизации используется ANSYS Design Explorer, и влияние каждой переменной оптимизации на производительность соединения можно увидеть, наблюдая за диаграммой чувствительности, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Графики чувствительности переменных оптимизации к качеству.

В левой части рисунка 12 показана чувствительность каждой из оптимизационных переменных к массе сустава. D1 и D2 существенно влияют на качество сустава, причем D1 более чувствителен, а D2 чуть менее. Поэтому с точки зрения малого веса лучше всего использовать уменьшение размеров D1 и D2.

Чувствительность оптимизированных переменных к максимальной деформации сустава показана в середине рис. 12. D1 и D2 существенно влияют на максимальную деформацию сустава, причем D2 является более чувствительным, а D1 - чуть менее. Поэтому, с точки зрения уменьшения максимальной деформации, лучше всего использовать уменьшение размеров D1 и D2, причем большее уменьшение D2 лучше.

Чувствительность оптимизированных переменных к эквивалентным силам в суставах показана в крайней правой части рис. 12. D1 и D2 существенно влияют на изотропные силы в суставах, причем D1 более чувствителен, а D2 – чуть менее. Поэтому, с точки зрения уменьшения эквивалентной силы, лучше использовать метод уменьшения размеров D1 и D2.

Ограничения

Цель этой оптимизации состоит в том, чтобы уменьшить максимальную деформацию соединения, и может быть создана математическая модель соединения:

50