桁架机械手动态特性有限元分析-模态分析法

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桁架机械手是发动机缸体缸盖柔性生产线中物流输送系统中的一个重要组成部分，其在高空中把被加工零件从一台机床运送到另一台机床上，并执行机床的自动上下料。如下图所示，桁架机械手采用龙门式结构，由Y向横梁与导轨、Z向滑枕、十字滑座、立柱、过渡连接板和基座等部分组成，Y轴和Z轴皆采用滚轮导轨和齿轮齿条传动系统，并安装在高强度的铝型材基础上。该桁架机械手的主要技术参数如下：
+ n+ p/ f, q3 x) K1 X; J5 J5 U
(1)行程: Y轴: 8000mm; Z轴: 1000mm
1 z* f5 e9 M& Y; U1 \5 L: Y(2)最大移动速度: Y轴:120m/min; Z轴: 60m/min
5 o+ l- r- ~  s3 }7 U& p(3)最大加速度: Y轴: 4m/s2 ; Z轴: 2.6m/s2
0 ?% Y5 p" `: i/ p' S' t2 ~(4)抓取质量: 105kg
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/ f& m; @6 o0 l0 d' I# @: F桁架机械手的工作状态和使用寿命同其结构的动态特性有很大的关系，因此有必要对其进行详细的动态特性分析。动态特性的理论分析和实验研究，采用的主要方法是模态分析法，包含如下三大部分：
8 H1 h% B! j3 j: c( `) s一：静刚度分析
静刚度是衡量桁架机械手性能优劣的一个重要指标。根据上图中的桁架机械手的结构来判断，当滑枕沿竖直方向移动到最下端时，其伸出量最大，此时变形也最大，所以整机的静刚度分析选择此时机械手的位置来计算，可计算出滑枕最下端沿各个轴向的静位移量：
5 F7 A3 ?% l8 }+ H7 }; FX轴向：0.210mm
9 N+ W* P4 X/ ~Y轴向：0.190mm
6 I/ b8 {0 r3 V" |" o6 V+ aZ轴向：0.010mm
8 v% \) c- p: H9 Q5 q由计算结果可知，整个机构在X方向的变形量最大，刚度较弱，这是由于滑枕承载时，横梁产生了扭曲变形所致。同时滑枕也是该机械手静刚度的薄弱环节，可以采用加强筋或增加滑枕铝型材的壁厚等措施来提高静刚度。
 
* _$ d8 h" V7 V8 d# z$ J二：模态分析
: s2 C' g% h, ^模态分析用于确定结构的固有频率和振型，其作用不仅是为了避免各机械零件和结构在工作时发生共振，而且是分析结构动态响应和其它动力特性的基础。比如横梁水平方向的弯曲振动和横梁的扭矩变形的模态分析：
) w- a# B1 F, Q) h6 A0 x% R* v
根据上述模态分析图可进行分析，横梁较低的弯曲刚度给系统动态特性带来的影响大。由于十字滑座和滑枕随着横梁一起振动和扭曲，将影响安装在滑枕下端机械手部的定位精度，导致机械手在上下料时产生较大的偏差，从而影响工件在机床上的准确定位。此外，横梁的弯曲变形和扭曲变形直接影响固定在横梁上的导轨的直线度和平行度，也对机械手的定位精度产生影响。
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( d8 Q5 k1 n7 o* L6 T9 r% T三：频响应分析
& N. l0 x- W5 k4 h- z5 _( l: u8 l. r模态分析可得到桁架机械手的模态振型，但这仅表示机械手各部位的相对振动情况，如果把外力激励再考虑进去，就可确认各阶模态振型对整机振动作用的大小，因此对桁架机械手进行频响应特性分析就能更清楚的看出机械手在动态载荷下的抗振性能：移动部件沿横梁导轨的频繁启停以及滑枕的上下往复运动都容易引起共振，因而整个机械手控制系统的设计应尽量避免共振的发生，防止由于机械手的滑枕振动过大而导致装卸工件时定位不准确。
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