工业机器人在汽车全工业链条中的地位非常重要。随着我国人口老龄化的发展和人工成本的逐年上升。工业机器人正在成为汽车制造工厂中生产的主要来源。所以发展工业机器人对于中国制造2025战略至关重要, 而工业机器人中有30%的都来自每个关节所安装的 RV 减速器,RV 减速器是一种在极小的空间里满足超大传动比的减速器,同时它可以设计成中空的形状,便于工业机器人的水、气、电等管路的放置。
1、模态分析的意义与国内外相关研究
工业机器人目前在制造业领域应用广,在汽车各个领域都有涉猎。应用最多的为汽车壳体冲压,例如特斯拉一体式冲压生产线,每个冲压工位都需要三台工业机器人同时参与工作。在喷涂和焊接基本上是无人作业,工业机器人完全取代人类来进行加工,人工只需要在工业机器人的日常检修和意外停机的时候介入处理,其他时间完全自动生产。而根据相关的机构测算工业机器人的产值已经逐渐达到多少万亿,目前向着多少万亿逐渐前进。而市面上有名的工业机器人老牌厂商有许多相关企业,所以行业内前景广阔。对一台工业机器人拆解成本分析,其中占比最大的为系统、机体机构件、关键零部件,而最重要的关键零部件中,RV 减速器的成本占工业机器人最大。根据自由度不同,每个关节都需要一台不同负载大小的 RV 减速器。而工业机器人用的 RV 减速器有一个特点,一旦在工厂内被安装,一般来讲在整个工业机器人的全生命周期内不需要拆卸维修,直至报废。所以这对 RV 减速器的使用寿命提出了相当高的要求与挑战。
查询相关文献李洋、许立新、侯昌兴等在2023年6月提出了对一种新型活动柱销式精密摆线减速器模态特性进行分析,获得了减速器各阶固有频率和振型特征;最后,完成了活动柱销式摆线减速器物理样机制造并进行了传动效率测试。丁国龙、詹明儒、赵大兴等在2022年1月提出 RV-40E 减速器模态仿真与实验研究,将 RV-40E 减速器与纳博特斯克产品进行对比,得出二者差异,为后续研究提供一种思路。李颠、叶红玲、苑博帅等在2022年3月提出小负载 RV 减速器摆阵针轮模态分析,并将其与摆线轮、针轮盘等进行对比,得出不同阶数的值。但是目前对于大负载的 RV 减速器摆线针轮的振动问题还有待解决的部分,而工业机器人噪音振动最大处除了电机外,还包括 RV 减速器的运转。所以本文针对 RV 减速器的共振问题运用有限元仿真分析了摆线针轮的固有频率, 对得到的问题提出了相应的解决方案。
2、模态分析理论基础
本文针对汽车生产线常见的工业机器人 RV 减速器的摆线针轮减速机构可能会出现的共振问题进行了深入的研究。运用有限元仿真进行了 RV 减速器的模态分析, 得到了约束状态下的 RV 减速器摆线针轮低阶前10阶的正常工况下的运行频率,与 RV 减速器整体的固有频率进行对比,找到可能发生共振的频率,并对其提出修改建议, 同时还对其激励频率进行计算,指出其发生共振的频率, 提出了修改的方法,可供参考。
在实际的机械产品运行过程中常会发生振动、异常噪音、共振等问题,针对以上的现象对整机或者某一零部件进行模态分析是常见的一种仿真。模态就是整机或者零件不同结构的自身所固有或原有的振动特性。我们常见的零部件都属于弹性体,它本身有相应的振动模态,进行模态分析会得到相对振幅比值、频率、振型等相关参数与图形。而我们根据每一阶的几个参数,对比整机或者其他零部件的频率值,就可以得出模拟实际工况下该零件的共振问题。
然后根据问题点或者薄弱点进行相应的结构修改。同时这种共振源也分为内部结构或者外部激励源,也可以得到相应的对比和设计参考。而这里提到的模态分析的阶数也是从1阶逐渐变大排列的,一般来讲低阶的频率更有价值,也更能反映该零件的振动特性。
模态分析可以分为两种,分别是有限元模态分析和实验模态分析。有限元模态是采用有限元法对零件的振动施加相应的约束和受力等参数,得到零件的低阶的模态分析结构,里边包含了三种参数。而实验模态通过搭建相关的实验平台,采用实际工况运行零部件用传感器等检测, 得到不同阶数的三种参数,来与内部或者外部的激励源进行对比验证。
而用软件分析的有限元模态分析,又可以分为自由模 态和约束模态,两者的区别只是在于边界条件设置的不同,自由模态一般是无约束的状态,例如飞机、炮弹等物体。而约束模态指在不同的约束条件下计算的模态值,施加什么约束,施加多少要根据工程实践来施加。
模态分析中常见的为自由模态和约束模态,本文采用的是有约束下的 RV 减速器模态分析。因为在 RV 减速器中二级传动摆线针轮传动有冲击性载荷,振动易发生。我们选定 RV 减速器的 RV 摆线轮作为模态分析的对象。
3、大负载 RV减速器的模态分析设置
如表1为本文分析的摆线轮相关数据。
在三维建模软件中将摆线轮的倒角等无关结构忽略掉, 减少计算量如图 1 所示。
常采用的有限元软件模态分析步骤,先将需要模态分析的零部件在三维建模软件中处理掉跟计算无关的一些次要结构,再将其转变为有限元分析软件可以识别的格式。用有限元软件打开后,按照实际工况施加零件材料、受力、约束等边界条件。选择网格划分的类型和密度或者一些特殊的网格划分形式,这关系到计算结果的准确性。然后设置基本的计算阶型进行模态分析计算,得到最终的三个参数和结果。
将参数自动生成的文件保存成相关的通用格式,使用 Workbench打开摆线针轮有限元文件,并对其进行约束状态下的模态分析。
RV320型号的摆线针轮常用的机体材料型号为 GCr15。
网格划分实施默认网格划分,每个网格大小为4mm。摆线针轮齿廓处形状比内部复杂,所以对齿轮边缘进行细化大小设置,更精确地反映实际结果,设置为2。结果状态如图2所示。
在 RV320减速器的使用中,摆线针轮受到曲轴施加的约束,所以在曲轴孔处施加约束,范围为孔大小的一半面积,径向约束方向为 UX 和 UY 。
4、RV减速器的模态分析结果与分析
计算模型得摆线轮各阶的固有频率如表2。
根据计算结果可以得出结论,摆线针轮的阶数增加, 频率也随之变大。而查询相关文献本例所采用的 RV320 减速器的机体频率为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阶) 。经过对比 发现整机的固有频率在第6阶和第9阶与摆线针轮计算的2 和4频率如图3所示,这时会产生共振现象。所以我们这里给出的修改建议是将摆线针轮的结构加强,通过增加肋板来使摆线针轮的频率避开固有频率,从而不会影响设备运转。摆线轮的固有频率和整机固有频率对比如图4所示。
摆线轮在 RV 减速器传动过程中,会有外力给他的激振频率,根据公式(1):
式中,n为曲轴转速;z3 为摆线针轮的齿数,得激振频率f=544.07Hz。根据上文中得到的摆线针轮的频率, 发现2阶频率与激励频率相近,这同样也会造成共振的发生,根据公式我们可以将摆线针轮的齿数变大或变小,避开共振区间。如图5所示为摆线轮随着阶数变化的频率与振型相对最大位移变形图。
5、结论
所以我们通过分析 RV 减速器摆线针轮的固有频率, 将它与整机的固有频率对比,发现可能出现的共振阶数, 通过改变结构来规避此问题,又将该型号减速器的激 励频率与其固有频率对比,发现只要改变齿数就可以避免发生共振。通过 RV 减速器摆线针轮的模态分析,对相关振动问题提供了一种解决思路,后续可通过实验数据来做进一步分析。
参考文献略.