工業(yè)機(jī)器人在汽車全工業(yè)鏈條中的地位非常重要。隨著我國人口老齡化的發(fā)展和人工成本的逐年上升。工業(yè)機(jī)器人正在成為汽車制造工廠中生產(chǎn)的主要來源。所以發(fā)展工業(yè)機(jī)器人對于中國制造2025戰(zhàn)略至關(guān)重要, 而工業(yè)機(jī)器人中有30%的都來自每個(gè)關(guān)節(jié)所安裝的 RV 減速器,RV 減速器是一種在極小的空間里滿足超大傳動(dòng)比的減速器,同時(shí)它可以設(shè)計(jì)成中空的形狀,便于工業(yè)機(jī)器人的水、氣、電等管路的放置。
1、模態(tài)分析的意義與國內(nèi)外相關(guān)研究
工業(yè)機(jī)器人目前在制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣,在汽車各個(gè)領(lǐng)域都有涉獵。應(yīng)用最多的為汽車殼體沖壓,例如特斯拉一體式?jīng)_壓生產(chǎn)線,每個(gè)沖壓工位都需要三臺(tái)工業(yè)機(jī)器人同時(shí)參與工作。在噴涂和焊接基本上是無人作業(yè),工業(yè)機(jī)器人完全取代人類來進(jìn)行加工,人工只需要在工業(yè)機(jī)器人的日常檢修和意外停機(jī)的時(shí)候介入處理,其他時(shí)間完全自動(dòng)生產(chǎn)。而根據(jù)相關(guān)的機(jī)構(gòu)測算工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)值已經(jīng)逐漸達(dá)到多少萬億,目前向著多少萬億逐漸前進(jìn)。而市面上有名的工業(yè)機(jī)器人老牌廠商有許多相關(guān)企業(yè),所以行業(yè)內(nèi)前景廣闊。對一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人拆解成本分析,其中占比最大的為系統(tǒng)、機(jī)體機(jī)構(gòu)件、關(guān)鍵零部件,而最重要的關(guān)鍵零部件中,RV 減速器的成本占工業(yè)機(jī)器人最大。根據(jù)自由度不同,每個(gè)關(guān)節(jié)都需要一臺(tái)不同負(fù)載大小的 RV 減速器。而工業(yè)機(jī)器人用的 RV 減速器有一個(gè)特點(diǎn),一旦在工廠內(nèi)被安裝,一般來講在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的全生命周期內(nèi)不需要拆卸維修,直至報(bào)廢。所以這對 RV 減速器的使用壽命提出了相當(dāng)高的要求與挑戰(zhàn)。
查詢相關(guān)文獻(xiàn)李洋、許立新、侯昌興等在2023年6月提出了對一種新型活動(dòng)柱銷式精密擺線減速器模態(tài)特性進(jìn)行分析,獲得了減速器各階固有頻率和振型特征;最后,完成了活動(dòng)柱銷式擺線減速器物理樣機(jī)制造并進(jìn)行了傳動(dòng)效率測試。丁國龍、詹明儒、趙大興等在2022年1月提出 RV-40E 減速器模態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)研究,將 RV-40E 減速器與納博特斯克產(chǎn)品進(jìn)行對比,得出二者差異,為后續(xù)研究提供一種思路。李顛、葉紅玲、苑博帥等在2022年3月提出小負(fù)載 RV 減速器擺陣針輪模態(tài)分析,并將其與擺線輪、針輪盤等進(jìn)行對比,得出不同階數(shù)的值。但是目前對于大負(fù)載的 RV 減速器擺線針輪的振動(dòng)問題還有待解決的部分,而工業(yè)機(jī)器人噪音振動(dòng)最大處除了電機(jī)外,還包括 RV 減速器的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以本文針對 RV 減速器的共振問題運(yùn)用有限元仿真分析了擺線針輪的固有頻率, 對得到的問題提出了相應(yīng)的解決方案。
2、模態(tài)分析理論基礎(chǔ)
本文針對汽車生產(chǎn)線常見的工業(yè)機(jī)器人 RV 減速器的擺線針輪減速機(jī)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)的共振問題進(jìn)行了深入的研究。運(yùn)用有限元仿真進(jìn)行了 RV 減速器的模態(tài)分析, 得到了約束狀態(tài)下的 RV 減速器擺線針輪低階前10階的正常工況下的運(yùn)行頻率,與 RV 減速器整體的固有頻率進(jìn)行對比,找到可能發(fā)生共振的頻率,并對其提出修改建議, 同時(shí)還對其激勵(lì)頻率進(jìn)行計(jì)算,指出其發(fā)生共振的頻率, 提出了修改的方法,可供參考。
在實(shí)際的機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行過程中常會(huì)發(fā)生振動(dòng)、異常噪音、共振等問題,針對以上的現(xiàn)象對整機(jī)或者某一零部件進(jìn)行模態(tài)分析是常見的一種仿真。模態(tài)就是整機(jī)或者零件不同結(jié)構(gòu)的自身所固有或原有的振動(dòng)特性。我們常見的零部件都屬于彈性體,它本身有相應(yīng)的振動(dòng)模態(tài),進(jìn)行模態(tài)分析會(huì)得到相對振幅比值、頻率、振型等相關(guān)參數(shù)與圖形。而我們根據(jù)每一階的幾個(gè)參數(shù),對比整機(jī)或者其他零部件的頻率值,就可以得出模擬實(shí)際工況下該零件的共振問題。
然后根據(jù)問題點(diǎn)或者薄弱點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改。同時(shí)這種共振源也分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者外部激勵(lì)源,也可以得到相應(yīng)的對比和設(shè)計(jì)參考。而這里提到的模態(tài)分析的階數(shù)也是從1階逐漸變大排列的,一般來講低階的頻率更有價(jià)值,也更能反映該零件的振動(dòng)特性。
模態(tài)分析可以分為兩種,分別是有限元模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。有限元模態(tài)是采用有限元法對零件的振動(dòng)施加相應(yīng)的約束和受力等參數(shù),得到零件的低階的模態(tài)分析結(jié)構(gòu),里邊包含了三種參數(shù)。而實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)通過搭建相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用實(shí)際工況運(yùn)行零部件用傳感器等檢測, 得到不同階數(shù)的三種參數(shù),來與內(nèi)部或者外部的激勵(lì)源進(jìn)行對比驗(yàn)證。
而用軟件分析的有限元模態(tài)分析,又可以分為自由模 態(tài)和約束模態(tài),兩者的區(qū)別只是在于邊界條件設(shè)置的不同,自由模態(tài)一般是無約束的狀態(tài),例如飛機(jī)、炮彈等物體。而約束模態(tài)指在不同的約束條件下計(jì)算的模態(tài)值,施加什么約束,施加多少要根據(jù)工程實(shí)踐來施加。
模態(tài)分析中常見的為自由模態(tài)和約束模態(tài),本文采用的是有約束下的 RV 減速器模態(tài)分析。因?yàn)樵?RV 減速器中二級(jí)傳動(dòng)擺線針輪傳動(dòng)有沖擊性載荷,振動(dòng)易發(fā)生。我們選定 RV 減速器的 RV 擺線輪作為模態(tài)分析的對象。
3、大負(fù)載 RV減速器的模態(tài)分析設(shè)置
如表1為本文分析的擺線輪相關(guān)數(shù)據(jù)。
在三維建模軟件中將擺線輪的倒角等無關(guān)結(jié)構(gòu)忽略掉, 減少計(jì)算量如圖 1 所示。
常采用的有限元軟件模態(tài)分析步驟,先將需要模態(tài)分析的零部件在三維建模軟件中處理掉跟計(jì)算無關(guān)的一些次要結(jié)構(gòu),再將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢拊治鲕浖梢宰R(shí)別的格式。用有限元軟件打開后,按照實(shí)際工況施加零件材料、受力、約束等邊界條件。選擇網(wǎng)格劃分的類型和密度或者一些特殊的網(wǎng)格劃分形式,這關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后設(shè)置基本的計(jì)算階型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算,得到最終的三個(gè)參數(shù)和結(jié)果。
將參數(shù)自動(dòng)生成的文件保存成相關(guān)的通用格式,使用 Workbench打開擺線針輪有限元文件,并對其進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析。
RV320型號(hào)的擺線針輪常用的機(jī)體材料型號(hào)為 GCr15。
網(wǎng)格劃分實(shí)施默認(rèn)網(wǎng)格劃分,每個(gè)網(wǎng)格大小為4mm。擺線針輪齒廓處形狀比內(nèi)部復(fù)雜,所以對齒輪邊緣進(jìn)行細(xì)化大小設(shè)置,更精確地反映實(shí)際結(jié)果,設(shè)置為2。結(jié)果狀態(tài)如圖2所示。
在 RV320減速器的使用中,擺線針輪受到曲軸施加的約束,所以在曲軸孔處施加約束,范圍為孔大小的一半面積,徑向約束方向?yàn)?UX 和 UY 。
4、RV減速器的模態(tài)分析結(jié)果與分析
計(jì)算模型得擺線輪各階的固有頻率如表2。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論,擺線針輪的階數(shù)增加, 頻率也隨之變大。而查詢相關(guān)文獻(xiàn)本例所采用的 RV320 減速器的機(jī)體頻率為75.14 Hz,135.07 Hz,135.77 Hz, 178.48 Hz, 426.3 Hz, 451.63 Hz, 844.47 Hz, 847.065Hz,1163.1Hz(只抽取了前9階) 。經(jīng)過對比 發(fā)現(xiàn)整機(jī)的固有頻率在第6階和第9階與擺線針輪計(jì)算的2 和4頻率如圖3所示,這時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。所以我們這里給出的修改建議是將擺線針輪的結(jié)構(gòu)加強(qiáng),通過增加肋板來使擺線針輪的頻率避開固有頻率,從而不會(huì)影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。擺線輪的固有頻率和整機(jī)固有頻率對比如圖4所示。
擺線輪在 RV 減速器傳動(dòng)過程中,會(huì)有外力給他的激振頻率,根據(jù)公式(1):
式中,n為曲軸轉(zhuǎn)速;z3 為擺線針輪的齒數(shù),得激振頻率f=544.07Hz。根據(jù)上文中得到的擺線針輪的頻率, 發(fā)現(xiàn)2階頻率與激勵(lì)頻率相近,這同樣也會(huì)造成共振的發(fā)生,根據(jù)公式我們可以將擺線針輪的齒數(shù)變大或變小,避開共振區(qū)間。如圖5所示為擺線輪隨著階數(shù)變化的頻率與振型相對最大位移變形圖。
5、結(jié)論
所以我們通過分析 RV 減速器擺線針輪的固有頻率, 將它與整機(jī)的固有頻率對比,發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的共振階數(shù), 通過改變結(jié)構(gòu)來規(guī)避此問題,又將該型號(hào)減速器的激 勵(lì)頻率與其固有頻率對比,發(fā)現(xiàn)只要改變齒數(shù)就可以避免發(fā)生共振。通過 RV 減速器擺線針輪的模態(tài)分析,對相關(guān)振動(dòng)問題提供了一種解決思路,后續(xù)可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來做進(jìn)一步分析。
參考文獻(xiàn)略.