一種新型四維腕力傳感器的有限元分析

一種新型四維腕力傳感器的有限元分析

余力傳感器是機(jī)械輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最重要的傳感器之一。它設(shè)置在機(jī)器人操作的對象上，用于感知操作手和外部環(huán)境之間的接觸力。多維腕力傳感器要求各個(gè)方向的靈敏度高,維間耦合小,具有良好的靜、動態(tài)特性。腕力傳感器的核心部件為彈性體,彈性體的設(shè)計(jì)好壞直接影響到傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)。本文提出了一種新彈性體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人四維腕力傳感器,該新型四維腕力傳感器可以同時(shí)檢測三維空間坐標(biāo)x、y、z三個(gè)方向的力和z方向的力矩。目前國內(nèi)專用的四維腕力傳感器很少見,相應(yīng)的文獻(xiàn)更少。為研究該新型傳感器的力學(xué)性能,尤其是作為應(yīng)變式傳感器核心部件的彈性體的性能,本文采用有限元分析軟件ANSYS對它的彈性體進(jìn)行有限元分析。1用于一般工業(yè)及研究ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元(FEA)分析軟件,目前最新的版本為7.0。它可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件具有良好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu),交互式的前后處理和圖形軟件,大大減輕了用戶在實(shí)際工程問題中創(chuàng)建模型、有限元求解以及結(jié)果分析和評價(jià)的工作量。它的統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫保證了各模塊之間的有效可靠的集成,同時(shí)還提供了與AUTOCAD、Pro/E等多種CAD/CAE軟件的接口。2幾何尺寸和力敏元件的施加這種新型傳感器彈性體結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)彈性體是作為整體一次加工成型的,具體幾何尺寸見表1。十字彈性梁和四根浮動梁組成力敏元件,力或力矩施加在軸上,通過中心臺傳遞給彈性梁。應(yīng)變片貼在十字彈性梁的上下表面和側(cè)面,16個(gè)應(yīng)變片組成四組電橋輸出四路信號。2.1彈性體模型特性單元類型選用ANSYS提供的SOLID95高精度實(shí)體單元。這種單元適用于彎曲模型分析,每個(gè)單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,而每個(gè)節(jié)點(diǎn)又有3個(gè)自由度,即x、y、z方向上的平移自由度。該單元的幾何特性、節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)系如圖2所示。彈性體材料為LY12硬鋁合金,楊氏模量為72GPa,泊松比為0.33,密度為2.78×103kg/m3。由于模型結(jié)構(gòu)簡單而且對稱,可以直接在ANSYS里采用由上至下的方法建立實(shí)體模型,相應(yīng)的點(diǎn)、線、面自動生成。將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時(shí)可以通過智能網(wǎng)格劃分控制(SmartSize),選擇劃分精度,由ANSYS自動劃分。為了得到更精確的解,可以將彈性梁和浮動梁這種應(yīng)力集中區(qū)域劃為子模型,對其網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化。最后得到有限元模型如圖3所示,其中子模型共有2575個(gè)單元,5341個(gè)節(jié)點(diǎn)。2.2負(fù)荷和求解1有限配置浮動梁的底面是固定在傳感器外殼上的,它們之間可以認(rèn)為是剛性連接,將這4個(gè)面的全部自由度設(shè)置為零。2彈性體結(jié)構(gòu)對稱的求解根據(jù)傳感器的測力要求與實(shí)際受力情況,可以確定4種典型的受力工況:①作用于軸頂部x方向的集中力Fx;②作用在軸頂部y方向的集中力Fy;③作用在軸頂部z方向的集中力Fz;④作用在軸頂部繞z方向的力矩Mz.受力的坐標(biāo)軸如圖3所示,原點(diǎn)位于軸頂部的中心。由于彈性體結(jié)構(gòu)對稱,這里只對x、z方向的受力進(jìn)行分析。分別在彈性體整體模型的軸頂相應(yīng)位置施加x、z方向的滿量程力-20N(坐標(biāo)軸負(fù)方向)和z方向的力矩20×5N.mm(逆時(shí)針),進(jìn)行求解,然后導(dǎo)入子模型進(jìn)行分析。通過應(yīng)力、應(yīng)變等值線或曲線圖,就可以了解應(yīng)力、應(yīng)變的分布狀況。3計(jì)算與分析3.1彈性梁應(yīng)力分析圖4從左到右分別對應(yīng)著彈性體在三種典型受力工況下的變形。Fx=-20N,Y向彈性梁和X向浮動梁發(fā)生彎曲變形。此時(shí)X向浮動梁變形較大,可以看成是一個(gè)理想的柔性梁,那么Fx可以通過檢測Y向彈性梁的變形量獲得。Fz=-20N,X向彈性梁和Y向彈性梁發(fā)生彎曲變形。此時(shí)四根浮動梁不再是柔性梁,而是彈性支撐梁,那么Fz可以通過檢測X向和Y向彈性梁的變形量而獲得,也可以通過檢測其中一根彈性梁的變形量而獲得。Mz=20×5N.mm,X向彈性梁和Y向彈性梁發(fā)生彎曲變形。此時(shí)四根浮動梁也變成了彈性支撐梁,Mz可以通過檢測X向和Y向彈性梁的變形量而獲得,也可以通過檢測其中一根彈性梁的變形量而獲得。圖5為十字彈性梁在分別受到Fx、Fz、Mz作用下的應(yīng)變分布,(a):Fx作用下,Y向彈性梁側(cè)面①、②受壓,側(cè)面③、④受拉;(b):Fz作用下,十字梁上表面⑤、⑥受壓,下表面⑦、⑧受拉;(c):Mz作用下,Y向彈性梁側(cè)面①、③受壓,側(cè)面②、④受拉。由圖可知,彈性梁與中心臺連接部位附近表面的應(yīng)變較大,適合貼片。從圖5還可以看到,彈性梁在受到Fx、Mz作用時(shí)應(yīng)變大的區(qū)域會發(fā)生重疊,產(chǎn)生維間干擾。這里選取Y向彈性梁側(cè)面①②上中心線AB為分析路徑,沿該路徑節(jié)點(diǎn)y方向的應(yīng)變分布見圖6。兩種力作用下的最大應(yīng)變分別為8.326×10-5、1.552×10-5。為了消除維間干擾,可以設(shè)計(jì)組橋電路,使各自的電橋只對相應(yīng)的一維力敏感,輸出結(jié)果不相互干擾。同時(shí),由于Fx的作用線不是沿x軸通過坐標(biāo)原點(diǎn),其力矩作用使X向彈性梁發(fā)生彎曲,圖5a表明,面⑤、⑧受拉,面⑥、⑦受壓。圖7是彈性體受到Fx作用時(shí)的應(yīng)力分布圖,彈性梁上的最大應(yīng)力約為20MPa,這會對Fz的輸出產(chǎn)生干擾。除了設(shè)計(jì)橋路消除外,還需要通過軟件來消除以提高測量精度。3.2彈性梁彎曲變形方面,主要有3.對整個(gè)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,得到彈性體固有頻率與振動模型,前6階固有頻率和振型特征結(jié)果如下:1階頻率:1268.4Hz,沿x軸的平動,Y向彈性梁彎曲較大;2階頻率:1268.9Hz,沿y軸的平動,X向彈性梁彎曲較大;3階頻率:2591.1Hz,沿z軸的平動,彈性梁彎曲較大;4階頻率:3586.8Hz,繞x軸的轉(zhuǎn)動;5階頻率:3589.8Hz,繞y軸的轉(zhuǎn)動;6階頻率:4693.9Hz,繞z軸的轉(zhuǎn)動,彈性梁扭曲變形,浮動梁側(cè)彎,彈性梁扭曲較大。腕力傳感器是低通型傳感器,一般可由第一階固有頻率的2/3來確定其工作帶寬,因此估算出該傳感器的工作帶寬為0～850Hz。4彈性體應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)本文用ANSYS對我們所提出的一種新型四維腕力傳感器的彈性體進(jìn)行了有限元分析,通過