基于Solidworks Simulation的機床上下料專用機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邊弘曄，李學(xué)威，管莉娜，馬 壯

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

機床上下料作為專用機器人，是智能工廠的重要組成部分，其極大的提高了勞動效率、降低了勞動力成本。機床上下料機器人在正常工作中負(fù)荷較高，一旦機器人本體發(fā)生較大變形，將破壞工件的安裝精度，同時由于其自身較大的動能可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，有必要在設(shè)計階段對上下料機器人的機械結(jié)構(gòu)進行全面準(zhǔn)確的分析，以便找到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的薄弱點，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支持[1～4]。

Solidworks是應(yīng)用最為廣泛的三維機械設(shè)計軟件之一，其內(nèi)置的Solidworks Simulation插件可實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的無縫聯(lián)接，相比于專業(yè)的有限元軟件，其操作更為簡單，在滿足基本力學(xué)分析需求的同時也為企業(yè)降低一大筆軟件費用[5～7]。

1 上下料機器人的三維實體模型的建立

圖1為上下料機器人及其工作環(huán)境示意圖，主要由機器人、上料臺、機床3個部分組成。利用Solidworks創(chuàng)建了上下料機器人的三維CAD模型，如圖2所示，上下料機器人的機械結(jié)構(gòu)采用了雙平行四連桿的方式。

2 上下料機器人有限元模型的建立

2.1 幾何模型簡化及參數(shù)配置

圖1 上下料機器人工作環(huán)境

圖2 上下料機器人三維CAD模型

上下料機器人幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，某些較小工藝結(jié)構(gòu)并不影響結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，反而會增加仿真計算與分析難度，因此需進行一定的簡化[8～10]，主要簡化內(nèi)容如下：

1）壓縮非關(guān)鍵部位的較小倒角和圓角；

2）壓縮某些配合的螺紋孔；

3）對很難進行網(wǎng)格的零件進行結(jié)構(gòu)微調(diào)。

本文的分析中采用了二階四面體10節(jié)點實體單元，材質(zhì)為45#鋼，彈性模量200Gpa，密度為7800Kg/m3，泊松比為0.32，屈服強度為248MPa，許用變形量小于等于2mm。

2.2 約束與載荷定義

圖3 極限工況載荷的施加

根據(jù)上下料機器人實際工作情況發(fā)現(xiàn)其在圖3所示工作位置時變形最大，為極限工況，最易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的問題。本文將對此工作位置機器人整機的靜力學(xué)狀態(tài)進行分析。

在底座安裝面4個安裝孔處施加固定約束；在減速器的受力面上施加與實際減速器等效的扭轉(zhuǎn)剛度，以模擬不同位置的工況；其他關(guān)節(jié)之間可以相對轉(zhuǎn)動，通過在Solidworks Simulation中施加銷釘約束來實現(xiàn)。

上下料機器人所受載荷為自身和工件的重力，其中自身重力利用密度和重力加速度進行施加，方向堅直向下；而工件按100kg的極限負(fù)載，作為遠程載荷施加到其實際重心位置上，如此處理即可減少網(wǎng)格數(shù)量，也能保證計算精度[11～15]。選擇承載面施加遠程載荷，如圖3所示。

2.3 網(wǎng)格劃分

選擇網(wǎng)格大小為48mm，公差為2.4mm，雅可比點值取16，消除草稿品質(zhì)網(wǎng)格，選擇實體的自動試驗，試驗數(shù)取3。對網(wǎng)格大小進行控制，采用長度30mm，公差為1.5mm的網(wǎng)格[16～19]。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，共計186038個節(jié)點，102100個單元。

3 仿真結(jié)果分析

圖4 網(wǎng)格劃分后的模型

圖5 極限位置等效應(yīng)力云圖

運行有限元仿真模型，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。其中整機的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，最大等效應(yīng)力為46.0Mpa，出現(xiàn)在大臂處，小于許用應(yīng)力248MPa，滿足強度要求。最大等效位移為2.71mm，如圖6所示，出現(xiàn)在末端執(zhí)行，超出允許的變形范圍，因此有必要提高結(jié)構(gòu)的剛度。

圖6 極限位置位移云圖

上下料機器人大臂是影響設(shè)備整體剛度的最重要部件，根據(jù)經(jīng)驗嘗試對大臂結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，增加外框與加強筋的寬度。再次對修改后的機器人結(jié)構(gòu)進行整機仿真分析，結(jié)果如圖7所示，末端最大位移降至1.67mm，小于最大允許變形量，結(jié)構(gòu)性能得到改善。

圖7 大臂修改后極限位置位移云圖

4 結(jié)論

利用Solidworks Simulation對上下料機器人在極限工況條件下的力學(xué)性能進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)的強度滿足要求，但剛度不足，末端變形量較大達到2.71mm，達不到使用精度要求。結(jié)合經(jīng)驗與仿真結(jié)果，提出增強機器人大臂剛度的改進方案，再次進行仿真后，末端變形量降至1.67mm，滿足使用要求。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的上下料機器人已經(jīng)投廠，并穩(wěn)定應(yīng)用于多家生產(chǎn)企業(yè)。事實證明采用Solidworks Simulation用于機器人結(jié)構(gòu)的仿真分析是快速有效的。

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