一種斜導(dǎo)面碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析研究

鄭秀宏，李鍛能，姚松亮

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

0 前言

目前，工業(yè)機(jī)器人正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，世界各地紛紛掀起使用工業(yè)機(jī)器人熱潮。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用始于20 世紀(jì)70年代，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)體制等因素的制約，發(fā)展比較緩慢，導(dǎo)致研究和應(yīng)用水平均比較低。而國(guó)外工業(yè)碼垛機(jī)器人以其在適用范圍、工作性能、功耗、負(fù)載等方面的優(yōu)勢(shì)大量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各類生產(chǎn)線上，并逐步占領(lǐng)市場(chǎng)，但價(jià)格居高不下［1－2］。

本作者在綜合分析國(guó)內(nèi)外并聯(lián)與串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)比多種結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點(diǎn)，研制出一種新型串并混聯(lián)斜導(dǎo)面碼垛機(jī)器人，具備工作范圍大、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在完成整機(jī)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析研究，試圖改進(jìn)整機(jī)結(jié)構(gòu)，使其靜力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升，為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 斜導(dǎo)面機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該碼垛機(jī)器人的獨(dú)特之處是其大臂沿與水平呈斜角的導(dǎo)向面直線移動(dòng)，構(gòu)成機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人主要由底座、腰部、末端執(zhí)行器、小臂、大臂、小臂驅(qū)動(dòng)臂、斜面滑塊以及平行保持架這8 個(gè)部分組成 (見圖1)，能實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)、大臂前后運(yùn)動(dòng)、前臂上下運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用減速機(jī)+ 電機(jī)組合或者絲桿+ 電機(jī)組合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成4 軸驅(qū)動(dòng)。小臂驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)通過采用關(guān)節(jié)球軸承與絲桿、絲桿套筒聯(lián)合裝置，使其受力始終沿軸向，提升了力的傳遞效率。一直處于拉伸態(tài)的小臂驅(qū)動(dòng)臂絲桿在工作過程中承受了較大的軸向力，符合細(xì)長(zhǎng)桿件的受力結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)機(jī)器人斜導(dǎo)向面的傾斜角θ 是影響大臂受力以及整機(jī)承載變形的重要參數(shù) (見圖2)。假設(shè)L1為水平導(dǎo)軌，L2為改進(jìn)后的斜面導(dǎo)軌，可見到在空間差異不大的情況下，L2＞L1，即傾斜的導(dǎo)軌有利于增大滑塊的移動(dòng)范圍，擴(kuò)大機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。同時(shí)大臂作用在水平導(dǎo)軌L1上的力F1分解為F1x和F1y，F(xiàn)1y由導(dǎo)軌承擔(dān)，F(xiàn)1x則對(duì)絲桿產(chǎn)生不利的軸向力，嚴(yán)重影響絲桿、絲桿軸承及軸承座的壽命。改進(jìn)后，導(dǎo)軌與水平面夾角變?yōu)棣龋瑒t大臂作用在斜面導(dǎo)軌L2上的力F2在x2方向分量趨于0，此時(shí)絲桿受到的軸向力大大減小，一定程度上延長(zhǎng)絲桿及其附件壽命，并保證絲桿的傳動(dòng)精度。

圖2 導(dǎo)軌面改進(jìn)前后受力簡(jiǎn)圖

2 典型位姿系列斜面傾角機(jī)器人靜力學(xué)分析

機(jī)器人靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下重要部件的位移、應(yīng)力，最終達(dá)到提高其整機(jī)末端靜剛度、位置精度的目的，因此靜力分析為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供重要參考［3］。進(jìn)行靜力學(xué)分析前，將已用SolidWorks 建好的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化 (去螺紋孔及其他一些不重要的特征)，這些簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果的影響可忽略不計(jì)［4］。

該構(gòu)型機(jī)器人在水平位姿 (反向懸臂位姿)和豎直位姿 (最大高度位姿)兩種狀態(tài)穩(wěn)定性較差，而處于最小包絡(luò)體積位姿 (收攏狀態(tài))時(shí)穩(wěn)定性好［5］。故而選擇機(jī)器人不同斜導(dǎo)面傾角情況下的豎直、水平兩種典型姿態(tài)，進(jìn)行整機(jī)靜力學(xué)分析。

通過SolidWorks 的有限元模塊SolidWorks Simulation 對(duì)不同斜導(dǎo)面傾角的整機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到整機(jī)在最大載荷情況下工作空間內(nèi)應(yīng)力、位移場(chǎng)的分布特性。

材料設(shè)置:底座、腰部、大臂、平行保持架的材料為普通碳鋼，小臂驅(qū)動(dòng)臂 (含絲桿)、斜面滑塊(含絲桿)的材料為合金鋼，小臂、末端執(zhí)行器的材料為2024 合金，材料的詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 材料明細(xì)表

邊界條件與載荷約束:斜面碼垛機(jī)器人各構(gòu)件由軸和軸承或絲桿連接，可將各構(gòu)件間的連接方式設(shè)置為銷釘連接或滑移面連接，并添加接觸面摩擦因系數(shù)為0.05。將底座安裝板設(shè)置為固定幾何體約束，添加引力，同時(shí)在末端執(zhí)行器上施加1 000 N的載荷。

網(wǎng)格劃分:實(shí)體網(wǎng)格的劃分采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器，單元大小為設(shè)置20 mm，公差為1 mm，雅可比點(diǎn)設(shè)置為4 點(diǎn)。

2.1 水平位姿情況下不同傾角的有限元分析

分別選取θ =15°、20°、25°、30°、35°、40°作為系列斜面傾角進(jìn)行整機(jī)的執(zhí)行件最遠(yuǎn)端 (水平位姿)靜力學(xué)分析，得到水平位姿機(jī)器人系列斜面傾角應(yīng)力、位移云圖，部分云圖如圖3 所示。

圖3 水平位姿機(jī)器人系列斜面傾角應(yīng)力云圖

分析發(fā)現(xiàn)，水平位姿機(jī)器人系列斜面傾角的最大位移均發(fā)生于末端執(zhí)行器上，變形范圍為0.804 ～1.04 mm;最大應(yīng)力均發(fā)生于斜面滑塊上，θ =25°時(shí)整機(jī)所受最大應(yīng)力最小，為68.2 MPa，但這個(gè)值不一定最優(yōu)。接著在θ =25°附近利用“最小二乘法”理論，相隔0.5°建立一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行有限元分析，逐步逼近最優(yōu)值，進(jìn)而找到最優(yōu)解(精度控制為0.5°)。

通過綜合分析，最終找到機(jī)器人水平位姿斜面最優(yōu)傾角θ =26°，此時(shí)最大應(yīng)力66.9 MPa，出現(xiàn)在大臂與腰部滑塊接觸端。水平位姿最大應(yīng)力、位移出現(xiàn)位置及隨斜面傾角變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 水平位姿最大應(yīng)力位移出現(xiàn)位置、隨斜面傾角變化趨勢(shì)

2.2 豎直位姿情況下不同傾角的有限元分析

同理，通過類似分析可得豎直位姿的碼垛機(jī)器人斜面處于不同傾角時(shí)整機(jī)以及各部件受力的具體情況，進(jìn)而找到最大應(yīng)力以及最大位移發(fā)生處以及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力隨傾角變化的趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn)，豎直位姿機(jī)器人系列斜面傾角最大位移均發(fā)生于末端執(zhí)行器上，變形范圍0.734 ～0.819 mm，θ =25°時(shí)整機(jī)所受最大應(yīng)力最小，為49.2 MPa，但這個(gè)值不一定最優(yōu)。接著在θ =25°附近利用“最小二乘法”理論，相隔0.5°建立一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行有限元分析，逐步逼近最優(yōu)值，進(jìn)而找到最優(yōu)解(精度為0.5°)。通過綜合分析，最終找到機(jī)器人水平位姿斜面最優(yōu)傾角θ=25.5°，此時(shí)最大應(yīng)力48.9 MPa，出現(xiàn)在小臂上。豎直位姿最大應(yīng)力隨斜面傾角變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 豎直位姿最大應(yīng)力位移出現(xiàn)位置、隨斜面傾角變化趨勢(shì)

2.3 斜面碼垛機(jī)器人最優(yōu)傾角的選取

綜合上述分析可得，機(jī)器人水平位姿斜面最優(yōu)傾角θ =26°，此時(shí)最大應(yīng)力66.9 MPa，出現(xiàn)在斜面滑塊上;豎直位姿斜面最優(yōu)傾角θ =25.5°，此時(shí)最大應(yīng)力48.9 MPa，出現(xiàn)在小臂上。水平位姿所受最大應(yīng)力為豎直位姿的1.37 倍，作用效果更明顯，優(yōu)選考慮水平位姿的應(yīng)力狀態(tài)，故最優(yōu)斜面傾角取θ =26°。

3 機(jī)器人最優(yōu)斜面傾角整機(jī)有限元分析與改進(jìn)

通過選取系列斜面傾角進(jìn)行整機(jī)靜力學(xué)分析，已找到最優(yōu)斜面傾角θ =26o。接下來(lái)，對(duì)最優(yōu)斜面傾角機(jī)器人整機(jī)進(jìn)行水平、豎直典型位姿的結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)。圖4、圖5 的結(jié)果顯示，斜面滑塊與小臂分別為整機(jī)水平、豎直位姿的最大應(yīng)力處，而末端執(zhí)行器為整機(jī)最大位移處，故斜面滑塊、小臂和末端執(zhí)行器三者均為整機(jī)的危險(xiǎn)部位［6］，需對(duì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，斜面滑塊與大臂接觸面積偏小、兩側(cè)護(hù)翼比較薄弱;小臂與驅(qū)動(dòng)臂接觸端強(qiáng)度不夠且小臂為實(shí)心結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碼垛機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)—急停這個(gè)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力，影響機(jī)器人的定位精度及穩(wěn)定性;末端執(zhí)行器與平行保持架聯(lián)接處強(qiáng)度不夠，且末端執(zhí)行器前端過于薄弱。因此，加筋強(qiáng)化斜面滑塊;加厚小臂與驅(qū)動(dòng)臂接觸端，抽空小臂內(nèi)端并加強(qiáng)筋;加筋強(qiáng)化末端執(zhí)行器前端并加厚末端執(zhí)行與平行保持架接觸端，同時(shí)抽空力學(xué)要求不高的部位，以達(dá)到減輕質(zhì)量同時(shí)增加剛度的目的。

對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)后，運(yùn)用SolidWorks Simulation 有限元模塊對(duì)整機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)對(duì)比分析，根據(jù)應(yīng)力、位移分布云圖，在正確位置加筋或抽空。由于篇幅所限，僅給出整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后水平位姿最大應(yīng)力分布對(duì)比云圖，如圖6 所示。

圖6 整機(jī)改進(jìn)前后水平位姿最大應(yīng)力分布對(duì)比云圖

通過對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元分析及改進(jìn)，整機(jī)水平位姿最大應(yīng)力由66.9 MPa 變?yōu)?8.3 MPa，最大位移由0.837 mm 變?yōu)?.792 mm;豎直位姿最大應(yīng)力由49.1 MPa 變?yōu)?7.6 MPa，最大位移由0.738 mm 變?yōu)?.702 mm;整機(jī)質(zhì)量減輕13.2 kg。

4 結(jié)論

該碼垛機(jī)器人腰部采用斜面結(jié)構(gòu)形式能增大導(dǎo)軌有效行程、改善整機(jī)受力結(jié)構(gòu)。在對(duì)系列斜面傾角(θ =15°、20°、25°、30°、35°、40°)進(jìn)行擇優(yōu)錄取的過程中，精度控制為0.5°時(shí)，得到最優(yōu)斜面傾角θ=26°。運(yùn)SolidWorks 的有限元模塊SolidWorks Simulation對(duì)最優(yōu)傾角整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)，結(jié)果表明，水平位姿最大應(yīng)力、最大位移分別減小12.9%、5.4%;豎直位姿最大應(yīng)力、最大位移分別減小3.1%、4.9%;整機(jī)質(zhì)量減輕3.8%，效果較為顯著。

研究結(jié)果為工業(yè)機(jī)器人整機(jī)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有限元分析及改進(jìn)研究提供了一種較為有效的參考。

［1］陳祝權(quán)，梁曉合，林粵科，等．六自由度串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析優(yōu)化［J］．機(jī)床與液壓，2013，41(23):97－101．

［2］趙臣，王剛．我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀調(diào)研報(bào)告［J］．機(jī)器人技術(shù)與用，2009(2):9－13．

［3］蔡自興．機(jī)器人學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009:122－125．

［4］樓向明，曹家鑫，梅江平，等．采用SolidWorks 的高速重載碼垛機(jī)器人的靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］．現(xiàn)代制造工程，2012(10):158－161．

［5］程麗，劉玉旺，駱海濤，等．165 kg 焊接機(jī)器人有限元模態(tài)分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(1):147－149．

［6］趙偉，殷國(guó)富，陳航，等．基于SolidWorks 和Ansys 的機(jī)器人手臂性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)器人技術(shù)，2009(12):48－49．