基于ANSYS的抛光工业机器人抛光力研究

［新设备·新材料·新方法］

DOI：10．3969/j．issn．1005-25．2019．05．013

基于ANSYS的抛光工业机器人抛光力研究

*

叶黎杰，金晓怡，谢腾骁

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海201620）

摘

要：腕表外表壳抛光系统在实际生产过程中，由于抛光力大小的不合理存在工件抛光精度不足的问题，笔者提出了

应用ANSYS软件建立工件的有限元模型，给抛光轮的一种新的抛光力分析方法。这种方法以腕表外表壳为研究对象，

力矩一个固定值，对工件施加几组不同的抛光力，观察各组的应力变化情况。通过分析得到不同抛光力与工件等效应接触压力以及接触位移之间的关系，并作出等效应力与法向接触压力的变化曲线。仿真结果表明：该方法可以为抛力、

光工业机器人规划出较为合理的抛光力。该研究保证了腕表外表壳的抛光质量。关

键

词：抛光工业机器人；外表壳抛光系统；抛光力；ANSYS软件；有限元模型

文献标志码：A

25（2019）05-0068-05文章编号：1005-中图分类号：TG580．692

ＲesearchonPolishingForceofPolishingIndustrial

ＲobotBasedonANSYS

YELijie，JINXiaoyi*，XIETengxiao

（SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China）

Abstract：Aimingattheproblemthatthepolishingprecisionoftheworkpieceisinsufficientduetotheunreasonablepolishingforceintheactualproductionprocess，anewpolishingforceanalysismethodwasproposed．ThewatchcasetheANSYSsoftwarewasusedtoestablishthefiniteelementmodeloftheworkpiece．Awastakenastheresearchobject，

fixedvalueofthetorqueofthebuffingwheelwassetandseveralsetsofdifferentpolishingforceswereappliedtotheworkpiecetoobservethestresschanges．Inthecase，therelationshipbetweenthedifferentpolishingforcesandtheequivalentstress，contactpressureandcontactdisplacementoftheworkpiecewereanalyzed，andthecurveoftheequivalentpressureandthenormalcontactpressurewereobtained．Thesimulationresultsshowthatthemethodcanplanareasonablepolishingforceforthepolishingindustrialrobot，andfurtherguaranteethepolishingqualityofthewatchcase．

Keywords：polishedindustrialrobot；outercasepolishingsystem；polishingforce；ANSYS；finiteelementmodel在工业生产中，小型零部件在加工完成后，为了去

需要施加一定的作用力进行抛光除工件表面的毛刺，处理

［1］

应力分析时也应该考虑进去，但是手工抛光和振动抛

［2］

光都没有进行合理抛光力的分析设计。随着人们设计合理大小的抛对工业抛光精度的要求越来越高，

光力已经成为未来抛光工业发展的趋势；但是不同材因此很难设计适用料所需要的抛光力大小要求不同，［3］

于大部分零件抛光的抛光力。

课题组基于有限元分析，针对表壳类零件的材料，通过设置不同大小的抛光力，对比不同应力结果，得出

。在以往的手工抛光过程中，不能合理地控制

造成零件损坏。因此，通过有限元应力抛光力的大小，

合理设计抛光力，可以避免不合理的抛光力对零分析，

振动抛光在抛光效率与社会件造成损坏。手工抛光、

振动抛光的系统布局是效益上具有一定的研究价值，

影响抛光的因素在课题组作值得机器人抛光参考的，

02-26；修回日期：2019-07-29收稿日期：2019-

01-02）；2017上海工程技术大学校企合作项目（JX-010）。基金项目：江西省重大科研攻关项目（TGS2018-第一作者简介：叶黎杰（1991），男，上海人，硕士研究生，主要研究方向为机器人。通信作者：金晓怡（1966），女，江苏常州人，mail：teacherjxy@126．com工学博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为仿生机器人、机构学和摩擦学。E-

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叶黎杰，等：基于ANSYS的抛光工业机器人抛光力研究·69·

合理的抛光力。

1腕表外表壳抛光系统设计

抛光机的电机带动两边的抛光轮，分别有粗、精抛

光2个工位，

抛光轮后面装有打蜡机构［4］

。抛光机后放置配备有夹持机构的机械臂，

机械臂两侧是2个配料装置，

抛光系统总体布局如图1所示［5］

。抛光机主体使用手动抛光，

抛光主轴两侧分别安装2个抛光轮，总共有2个工位，一个为精抛光工位，一个为粗抛光工位。抛光加工中，

影响加工表面质量和加工效率的关健因素是抛光材料去除量比例和抛光路径的选择［6］

。

图1抛光系统总体布局

Figure1Overalllayoutofpolishingsystem

2有限元模型的建立

手表的外壳材质一般用精钢、钨钢和陶瓷，其中陶

瓷的最贵，

钨钢其次。抛光布轮的主要材料是布，它由亚麻、

棉、无纺布、绒和牛仔布制成［7］

。

在分析的时候，表壳采用结构钢，弹性模量为210GPa；磨轮采用高分子材料，弹性模量为100MPa；以聚氨酯和毛毡为原料合成抛光布轮

［8］

。该材料具有良

好的弹塑性，

在抛光过程中无划痕，加工材料与其他聚合物材料组合，

对工件材料进行单面抛光［9］

。布轮转

动力矩为100N·m，

抛光力方向为法向，抛光力分别取30，

25，20，15，10和5N，研究抛光力与表壳接触压力的关系。图2（a）是表壳的网格模型，节点数有168236，单元数47094；图2（b）是分析的载荷情况，表壳和布轮分别受到法向抛光力和转矩作用；图2（c）是表壳与布轮的接触情况。课题组采用有限元分析软件ANSYS进行有限元模拟仿真，分析应力与位移的变化情况

［10-11］

。

3

不同抛光力下的仿真结果

3．1

抛光力为30N

图3（a）是表壳在抛光力30N作用下，接触位置

的等效应力云图，

图中显示表壳等效应力最大为238.MPa，位于表壳与布轮接触位置；图3（b）是表

图2分析模型

Figure2Analysismodel

壳在抛光力30N作用下，接触位置的接触压力云图，图中显示表壳接触压力最大为63．60MPa，位于表壳与布轮接触位置；图3（c）是表壳在抛光力30N作

用下，

接触位置的法向接触位移（本例为x轴向）云图，图中显示表壳接触位移最大为1．34mm。3．2

抛光力为25N

图4（a）是表壳在抛光力25N作用下，接触位置

的等效应力云图，

图中显示表壳等效应力最大238.940MPa，位于表壳与布轮接触位置；图4（b）是表

壳在抛光力25N作用下，

接触位置的接触压力云图，图中显示表壳接触压力最大为63．1620MPa，位于表

壳与布轮接触位置；图4（c）是表壳在抛光力25N作用下，

接触位置的法向接触位移（本例为x轴向）云图，

图中显示表壳接触位移最大为1．34mm。·70·轻工机械LightIndustryMachinery2019年第5期

图3抛光力为30N时的仿真结果

Figure3Simulationresultsofpolishingforceof30N3．3

抛光力为15N

图5（a）是表壳在抛光力15N作用下，接触位置

的等效应力云图，

图中显示表壳等效应力最大为239.0600MPa，位于表壳与布轮接触位置；图5（b）是

表壳在抛光力15N作用下，

接触位置的接触压力云图，

图中显示表壳接触压力最大为62．1600MPa，位于表壳与布轮接触的位置；图5（c）是表壳在抛光力15N作用下，接触位置的法向接触位移（本例为x轴向）云

图，图中显示表壳接触位移最大为1．34mm。3．4

抛光力为5N

图6（a）是表壳在抛光力5N作用下，接触位置的

等效应力云图，图中显示表壳等效应力最大为239.1700MPa，位于表壳与布轮接触位置；图6（b）是表壳在抛光力5N作用下，

接触位置的接触压力云图，图中显示表壳接触压力最大为61．1570MPa，位于表壳与布轮接触位置；图6（c）是表壳在抛光力5N作用

下，

接触位置的法向接触位移（本例为x轴向）云图，图中显示表壳接触位移最大为1．34mm。3．5

不同抛光力作用下的仿真结果分析当布轮力矩为100N·m时，法向抛光力分别取

图4抛光力为25N时的仿真结果

Figure4Simulationresultsofpolishingforceof25N30，25，20，15，10和5N下的等效应力、接触压力和接

触位移如表1所示。对比情况分析如图7所示，从图7（a）中可以发现，等效应力大小随法向抛光力的增大

而慢慢降低；从图7（b）中可以发现，

法向接触压力随法向抛光力的增大而慢慢升高，

当抛光力到25N时，其升幅开始增大，

30N时达到66．6MPa。由于抛光轮与表壳工件的接触方式定义为摩擦接触，

摩擦因数为0．18，

抛光过程中抛光力不会很大，参考工厂手工与振动抛光的情形，

法向抛光力定为20N，可以满足机械臂负载能力与抛光加工要求［12］

。

表1各工况下仿真结果

Table1Simulationresultsunderdifferent

workingconditions

法向抛光力/N

等效应力/MPa

接触压力/MPa

接触位移/mm30238．66．61．3425238．9463．1621．3420239．0062．6611．3415239．0662．1601．3410239．1161．6591．345

239．17

61．157

1．34

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叶黎杰，等：基于ANSYS的抛光工业机器人抛光力研究·71·

图5抛光力为15N时的仿真结果

Figure5Simulationresultsof

polishingforceof15N

4结论

1）针对抛光工业机器人对腕表壳进行去除毛刺

的过程中抛光力过大损坏零件或抛光力过小无法达到理想抛光状态等问题，

课题组根据表壳与抛光的材料，对抛光力大小的不同情况进行了分析。由仿真结果得到了等效应力大小随法向抛光力的增大而慢慢降低，法向接触压力随法向抛光力的增大而慢慢升高，法向抛光力定为20N，

可以满足机械臂负载能力与抛光要求。2）相对于手工抛光与振动抛光而言，机器人抛光的目标同样是降低表面粗糙度。课题组参考了振动抛光系统的布局结构，

发现对抛光质量的影响因素而言，振动抛光与机器人抛光是相同的。但是手工抛光与振动抛光未能研究抛光力大小的不同情况所产生的位移形变，

因此课题组的分析克服了传统手工抛光与振动抛光由于抛光力大小不当而导致零件损坏的后果。3）虽然课题组针对表壳类零件抛光力大小的不同情况进行了分析，

但是在加工的过程中，抛光的时间需要控制，即使应用适度的抛光力，但超过合理时间的抛光也会对零件造成损坏，所以还需要进一步的分析和研究。

图6抛光力为5N时的仿真结果

Figure6Simulationresultsofpolishingforceof5N

图7各工况下等效应力和接触压力的变化情况

Figure7Variationofequivalentstressandcontact

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图6挤出工艺参数正交试验各组试样

Figure6Eachgroupofsamplesofcomprehensive

performanceorthogonaltest

效果好；但螺杆转速过高，混合浆料表观粘度下降，反

挤出试样含有一定的胶黏剂颗粒，牵伸冷应时间过短，

却不均匀。

4）牵伸长度过短时，纤维连接不紧密，易产生裂尺寸比预期小；牵伸长度过大时，混合浆料在模口纹，

尺寸不稳定，挤出速率不均匀，物料各段密度堆积，不一。

综上，料筒温度为70℃，机头温度为70℃，螺杆

牵伸长度为40mm时试样综合性能转速为40r/min，

且决定挤出试样抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性最优，

干缩比和密度的最大影响因素均为机头温度。模量、

本研究获得适用于生物质材料连续挤出加工工艺对生物质材料连续挤出生产工业应用具有一定参数，

如挤出机为小型实际意义。但本研究仍有一些不足，挤出模头形状单一，今后需进一步对挤出机类型与机，

口模形状进行分析。

檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴（上接第71页）

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