碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器擋板靜態(tài)分析及優(yōu)化

王明超，何慶中，趙獻(xiàn)丹

（四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢 643000）

碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器擋板靜態(tài)分析及優(yōu)化

王明超，何慶中，趙獻(xiàn)丹

（四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢 643000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人已廣泛的應(yīng)用于工廠及企業(yè)當(dāng)中來(lái)代替人類(lèi)完成一些具有危險(xiǎn)的，重復(fù)性的，以及無(wú)法完成的工作。目前工業(yè)機(jī)器人已廣泛的應(yīng)用于焊接、噴涂、搬運(yùn)和裝配等方面[1]。由于社會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，為滿(mǎn)足不同企業(yè)的生產(chǎn)要求，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及研究具有了更大的靈活性、挑戰(zhàn)性及周期短的特點(diǎn)。三維軟件及有限元分析軟件在工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中起著重要的作用。本文研究的碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器主要用于從自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上提取食品、酒類(lèi)等包裝產(chǎn)品的自動(dòng)碼垛的夾持機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行有限元分析的目的在于保證機(jī)構(gòu)靈活性、夾持可靠性及安全性要求的前提下，盡可能優(yōu)化降低末端執(zhí)行器的重量和慣量，提高碼垛機(jī)械手碼垛定位精度和自動(dòng)化程度。本文首先在Solidworks中建立碼垛機(jī)械手模型，再導(dǎo)入SolidWorks Simulation中進(jìn)行靜態(tài)分析并進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化提供了方法。對(duì)從事該行業(yè)的工作人員有一定的指導(dǎo)作用。

1 碼垛機(jī)械手的作業(yè)要求及結(jié)構(gòu)

碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣缸帶動(dòng)左擋板延導(dǎo)桿方向運(yùn)動(dòng)完成抓取工作。通過(guò)分析計(jì)算得出，機(jī)械手整體的重量為14.5kg，其中左右擋板的重量為9.65kgm，近似占整個(gè)機(jī)械手重量的2/3，要想減輕機(jī)械手的重量，首先要對(duì)左右擋板進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)夾緊貨物時(shí)，擋板受力最大，如圖2所示。本文在受力最大的情況下以左擋板為例進(jìn)行靜態(tài)分析并優(yōu)化。

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圖1 碼垛機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)

圖2 夾緊貨物時(shí)的情況

2 機(jī)械手擋板的SolidWorks Simulation靜態(tài)分析

2.1 碼垛機(jī)械手左擋板Simulation模型的建立

在SolidWorks界面下，點(diǎn)擊工具>>插件，選取SolidWorks Simulation 插件，點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入Simulation界面，點(diǎn)擊文件打開(kāi)擋板分析模型，如圖3所示。單擊主工具欄算例顧問(wèn)，在其下拉菜單中選擇按鈕，在名稱(chēng)中輸入擋板分析，選擇靜態(tài)。點(diǎn)擊工具欄應(yīng)用材料圖標(biāo)，在彈出的材料屬性管理器中選取高強(qiáng)度鋁合金7050，為擋板添加材料。

圖3 擋板分析模型

2.2 為擋板添加約束及載荷

2.2.1 為擋板添加約束

在有限元靜力學(xué)分析中，必須采用足夠的約束來(lái)穩(wěn)定模型[2]。通過(guò)分析添加如圖4所示約束。

圖4 添加約束的擋板分析模型

2.2.2 施加載荷

經(jīng)計(jì)算作用在擋板上的力為178.2N，箱體與擋板夾持位置關(guān)系如圖5所示，擋板受力部分在下半部，所以在施加載荷時(shí)要對(duì)擋板進(jìn)行分割。施加載荷后的擋板分析模型如圖6所示。

圖5 箱體與擋板加持位置關(guān)系

圖6 施加載荷及約束后的擋板模型

2.3 網(wǎng)格劃分及靜態(tài)分析

2.3.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格化是設(shè)計(jì)分析過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟。SolidWorks Simulation的自動(dòng)網(wǎng)格器會(huì)根據(jù)整體單元大小、公差及局部網(wǎng)格控制規(guī)格來(lái)生成網(wǎng)格。在設(shè)計(jì)分析的初期，近似結(jié)果足以滿(mǎn)足需要，因此可以指定較大的單元大小來(lái)提高解算速度。要想進(jìn)行更精確的解算，可能必須使用較小的單元大小[3]。本文在進(jìn)行網(wǎng)格劃分是采用SolidWorks Simulation默認(rèn)值，網(wǎng)格劃分后的擋板模型如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分

2.3.2 靜態(tài)分析

碳鋼、鋁、銅等塑性材料通常以屈服形式是小，宜采用第三第四強(qiáng)度理論校核，本文處于安全考慮采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。分析后的應(yīng)力應(yīng)變及位移如圖8（a,b,c）所示。

圖8 靜態(tài)分析

從圖中可以看出與與汽缸連接的孔下部應(yīng)力最大為7.4MPa，擋板底部變形最大為0.06mm。2.3.3 強(qiáng)度校核

擋板的材料為鋁合金7 0 5 0，彈性模量E=7 2 G P a，泊松比μ=0.3 3，屈服極限σs≤435MPa，取其安全系數(shù)為N=1.5，可得出

根據(jù)以上分析可知σeq=7.4MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于290MPa，擋板滿(mǎn)足應(yīng)力和變形條件。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)槌鲇诎踩紤]，初始方案選取擋板厚度為20mm，經(jīng)分析計(jì)算可已看出最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，可以考慮減小擋板后度來(lái)減輕擋板質(zhì)量，本文將擋板厚度減小為10mm，左擋板重量減少了2.57Kg，利用SolidWorks Simulation模塊進(jìn)行分析，應(yīng)力及變形如圖9(a,b)所示。

圖9 應(yīng)力及變形圖

根據(jù)分析得到擋板的最大應(yīng)力為26.2MPa，變形為0.49mm，均滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)SolidWorks建立碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器三維設(shè)計(jì)模型，并直接應(yīng)用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation分析計(jì)算模塊對(duì)碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器擋板進(jìn)行了有限元靜態(tài)分析計(jì)算和優(yōu)化，分析計(jì)算結(jié)果表明擋板強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用要求，并且進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出采用SolidWorks建立三維數(shù)學(xué)模型，直接應(yīng)用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件進(jìn)行機(jī)械構(gòu)件的有限元分析計(jì)算方法和步驟的正確性，提高了有限元分析的可靠性，以及實(shí)用性，對(duì)相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定的參考價(jià)值。

1）SolidWorks Simulation軟件與SolidWorks軟件完全整合，當(dāng)模型改變的時(shí)候，分析的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)相應(yīng)地自動(dòng)更新，計(jì)算結(jié)果也能直接顯示在SolidWorks模型上。避免了三維設(shè)計(jì)建模軟件與分析計(jì)算軟件之間的雙項(xiàng)轉(zhuǎn)換操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換缺陷等問(wèn)題。

2）通過(guò)對(duì)碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器擋板進(jìn)行了有限元靜態(tài)分析及優(yōu)化，分析計(jì)算結(jié)果表明擋板強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出采用SolidWorks建立三維數(shù)學(xué)模型，直接應(yīng)用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件模塊進(jìn)行機(jī)械構(gòu)件的有限元分析計(jì)算方法和步驟的正確性。

[1]郭洪紅,等.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[2]江洪,陳燎,王智,等.SolidWorks有限元分析實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]SolidWorks公司著.SolidWorks Simulation高級(jí)教程2009[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]江洪,江帆,陸利鋒,等.SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5]李偉光,劉建華.基于ANSYS的工業(yè)機(jī)器人小臂有限元靜態(tài)分析[J].機(jī)械技術(shù)與機(jī)床,2010,(5):61-63.

Static analysis and optimizating for left board of palletizing robots

WANG Ming-chao, HE Qing-zhong , ZHAO Xian-dan

本文通過(guò)SolidWorks建立碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器三維模型，并直接應(yīng)用SolidWorks Simulation分析模塊對(duì)碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器擋板進(jìn)行有限元靜態(tài)分析計(jì)算，并進(jìn)行了優(yōu)化和校核。結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足要求，減輕了機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量，也驗(yàn)證了SolidWorks Simulation插件進(jìn)行機(jī)械構(gòu)件有限元分析正確性，對(duì)相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定參考價(jià)值，并提供了一種實(shí)用的分析計(jì)算優(yōu)化方法。

SolidWorks; SolidWorks Simulation；末端執(zhí)行器；靜態(tài)分析

王明超（1982 -），女，河北張家口人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

TP241

A

1009-0134(2011)5(上)-0022-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).08

2010-12-10

自貢市科技計(jì)劃研究項(xiàng)目（2010Q03）；瀘州老窖科研基金項(xiàng)目（2009ljzk08）；四川理工學(xué)院科研基金項(xiàng)目(Y2009012)