佛山市南海区科亚机械制造有限公司
摘要：机械手大小臂的CAE需要建立在机械手几何模型的基础上，建立机械手的模态分析有限元模型。而建立有限元的模型的原则是在保证在不改变机械手的结构模态特性的前提下进行必要的简化以获得必要的精度，同时也尽可能降低在求解时计算量和其提高求解时的计算速度。
关键词：机械手；大小臂；有限元
一、机械手大小臂模态
将己经用Solidworks建立好的机械手大小臂模型简化后倒入ANSYSWorkbench，定义好机械手各个部件的材料属性、结合面类型以及其他必要的参数设置，然后进行网格划分如图1所示。
整个机械手的驱动方式为电机驱动，免机械手发生共振的情况，在小臂伸出时因此，外在激励主要是电机，为了避电机驱动需要避过的转速分别为：2760r/min，6000r/min，6780r/min，9660r/min，18900r/min；在小臂缩回时，电机驱动需要避过的转速分别为：2880r/min，7740r/min，7800r/min，9600r/min、18180r/min、18420r/min臂的模态振型如图2和图3所示。求得机械手伸出和缩回状态下大小臂的模态振型模态，振型如图2和图3所示。
二、机械手大小臂静力学分析
水平结构是本课题中机械手机械性能的核心组件，在机械手运送物料时，由于对其精度要求以及刚度要求以及整体的轻盈化都有较高的要求。同时为了在保证机械手强度符合工作要求的情况下，使机械手的可靠性得到提高以及其本体结构尽量轻量化，因此对机械手水平结构这一关键部件进行有限元静力学分析从而对其进行优化是有必要的。通过分析，主要优化结构整体的强度和刚度，以防止在工作工程中发生应力超过所用材料的屈服极限，从而造成塑性变形而使零部件失去作用，使其设计的结构更加合理。当对其关键部件水平结构进行静态分析，为确保其准确性，和上文一样，首先简化其水平结构的三维模型，之后再进行其水平结构的静力学分析。
根据机械手设计要求，机械手需要运送最大重量为2kg的物料，所以在模型的末端添加20N的力来模拟机械手末端抓取的物料，在软件中设置好重力加速度和所要固定面，如图4所示。经过计算，机械手末端最大位移为0.37mm，所受到的最大应力为10.3MPa，位移云图5所示，应力云图如图6所示。通过查阅机械手册知道，45钢的抗拉强度和屈服强度分别为600MPa和35MPa远大于机械手在工作过程中所受到的做大应力，所以机械手结构的强度是满足要求的。
三、机械手大小臂结构优化
从上述的模态位移图中我们发现臂的刚度对整个系统的刚度影响最大机械手大小臂最薄弱的环节为小臂，因此有必要对小臂进行相应的优化。
我们知道在相等的横截面积情况下，拥有圆形截面的结构的固有振动频率式最低的，在相同外力下其末端产生弹性变形量是最大的，而拥有矩形截面结构的振动频率是最高的，在相同外力作用下其末端的弹性变形实最小的，且抑制弹性形变的效果最理想。因此，本文分别比较了三种截面面积相同但形状不同的臂杆进行比较如图7，三种截面具体的分析数据如图8和图9所示。
通过计算可以知道机械手的各个组成结构的模态的各部分振动的固有频率。机械手的各个组成的结构模态频率需要彼此分开。如果各运动模块的模态频率相近，则结构的固有频率相对密集。倘若两个相连的结构其固有频率相近，容易产生共振，从而影响机械手的在运行的时的精度以及减少使用寿命。因此在设计过程中必须使各个运动部件的模态频率相互分开，而其模态频率相互分开是指一个运动模块或者整体的某个模态频率不能和其他的运动模块所有模态频率重合或者相近。所以在设计中需要反复的设计使其所有的模态频率互相隔开。
五、结束语
利用有限元方法分析了机械手在小臂伸出和缩回时水平结构的前六阶振动模态，确定出易引起共振的频率，算出电机驱动时需要避过的转速。然后分析机械手末端在自身重力的作用下末端的形变以及静力学应变，然后求解出在工作时，末端提起2kg的物料时，末端的形变以及静力学应变，验证出所设计的机械手满足精度要求。