碼垛機器人整機的有限元分析與優(yōu)化

李 祥　宗克柱　張延勝（山東科技大學(xué)，山東　青島　266590）

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碼垛機器人整機的有限元分析與優(yōu)化

李 祥宗克柱張延勝
（山東科技大學(xué)，山東青島266590）

摘要：碼垛機器人通過Solidworks電腦軟件對碼垛機器人進行控制與組裝，碼垛機器人的靜力和動態(tài)行為都是采用Solidworks Simulation對它們從整體和個體進行的分析。四軸碼垛機器人一共有8種不同的姿態(tài)，通過這8種可以得到相應(yīng)8種數(shù)據(jù)分析以及進行的8種方案優(yōu)化。本文就是從整機的情況下對碼垛機器人進行有限的分析和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：碼垛機器人；動態(tài)分析；整機的優(yōu)化

隨著科技的進步和市場發(fā)展的需求，機器人碼垛已經(jīng)逐漸開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工碼垛，這將是現(xiàn)代社會工業(yè)的一種社會趨勢。機器人的出現(xiàn)最早從日本出現(xiàn)的，20世紀中旬的時候國外有很多從事研究機器人的工業(yè)，并且就以日本、德國、美國等發(fā)達國家的研究已經(jīng)取得了很大的成就。最早將機器人投入市場使用是在20世紀90年代，它的使用主要的目的是為了彌補工業(yè)勞動力缺乏的現(xiàn)狀。機器人的生產(chǎn)是社會生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它對社會將做出不可估量的作用。

一、碼垛機器人整機的有限元分析

本文將從以下三個方面：碼垛機器人的靜力和動力學(xué)原理；碼垛機器人的使用壽命；搬運碼垛自動化生產(chǎn)線應(yīng)用，進行科學(xué)性的分析，將機器人的整機結(jié)構(gòu)一一解剖出來。

1 碼垛機器人的運動原理

每一款機器人都有它自己的特點，但是它們都是還有共性，所以，就以MD200碼垛機器人為例子進行分析。首先，要確定碼垛機器人技術(shù)參數(shù)、對MD200碼垛機器人的結(jié)構(gòu)進行分析，通過這些數(shù)據(jù)得出我們所要構(gòu)思的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并建立D-H運動學(xué)數(shù)學(xué)模型。在對碼垛機器人靜力學(xué)分析及模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，在靜力學(xué)的基礎(chǔ)上選擇臂部并聯(lián)機構(gòu)，靜力作用大的部位進行分析，采用ANSYS Design Xplorer技術(shù)對所采納的數(shù)據(jù)進行快速優(yōu)化和合理的分析，并且還會對碼垛機器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂進行輕量化優(yōu)化設(shè)計。通過這一系列的數(shù)據(jù)分析，碼垛機器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂的強度和剛度滿足設(shè)計要求的前提下對機器人行程放大系數(shù)以及運動學(xué)正逆解進行理論分析，并通過ADAMS和MATLAB仿真分析加以驗證通過這一系列的數(shù)據(jù)分析，對整個碼垛機器人臂部結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)強度和剛度分析計算。

2 碼垛機器人的使用壽命

Designlife是一款對碼垛機器人進行疲勞分析軟件，對MD200碼垛機器人進行靜強度分析，然后通過它其中的工作強度來分析它的效應(yīng)力最大的極限位姿然后得出碼垛機器人的疲勞強度和疲勞壽命。其次，以線性疲勞累積損傷理論為理論基礎(chǔ)，聯(lián)合Workbench有限元分析。最后，結(jié)合包裝物流生產(chǎn)線的應(yīng)用現(xiàn)狀，論證發(fā)展完善搬運碼垛自動化生產(chǎn)線的必要性。

3 搬運碼垛自動化生產(chǎn)線應(yīng)用

（1）碼垛機器人的自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括腰座、底座、臂部、腕部等進行了詳細的機械設(shè)計，并闡述了各個部件的運動特點；借助于solidworks三維實體造型軟件，建立碼垛機器人整機的三維數(shù)模。根據(jù)各種三維數(shù)模對碼垛機器人進行一系列的整合和對比，找出它們生產(chǎn)線的差異，對搬運碼垛自動化生產(chǎn)線應(yīng)用進行更好的運用和投入市場使用。通過對物流自動化生產(chǎn)需求，結(jié)合MD200碼垛機器人和它內(nèi)部的內(nèi)存設(shè)置，通過這些合理的設(shè)計數(shù)據(jù)對相應(yīng)的碼垛機器人自動化生產(chǎn)線應(yīng)用進行更好地設(shè)計和配置然后就能夠更加對以后的機器人能夠生產(chǎn)出更好地內(nèi)部配置，對它的自動化生產(chǎn)和自動化機器更好地合理優(yōu)化設(shè)計，這樣不僅能夠降低生產(chǎn)成本，還能夠在一定程度上提高市場生產(chǎn)效率。

（2）通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對碼垛機器人進行分析，考察機器人在它的工作過程中也就是分析它最大工況載荷下最具有代表性的四個工作極限位置為分析對象，選取碼垛機器人處于工作極限位置時，對其臂部并聯(lián)機構(gòu)做整體的模態(tài)分析，獲得了前六階的固有頻率和振型，為后續(xù)的分析提供依據(jù)。在對碼垛機器人靜力學(xué)分析及模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對碼垛機器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂進行了輕量化優(yōu)化設(shè)計，在保證這三個關(guān)鍵部件的強度和剛度滿足設(shè)計要求的前提下，減輕其質(zhì)量，有利于提高碼垛機器人的整機結(jié)構(gòu)性能，同時也可以節(jié)省材料，降低生產(chǎn)成本。

二、碼垛機器人整機的優(yōu)化

1 根據(jù)等效應(yīng)力云圖分析出腰座的薄弱環(huán)節(jié)，通過改進腰座三維模型，使得薄弱環(huán)節(jié)得到加強，整體應(yīng)力下降，提高了機器人的整體動態(tài)性能。結(jié)構(gòu)簡單、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保養(yǎng)維修簡單、所需庫存零部件少。

2 占地面積少。有利于客戶廠房中生產(chǎn)線的布置，并可留出較大的庫房面積。碼垛機器人可以設(shè)置在狹窄的空間，即可有效的使用。

3 適用性強。當客戶產(chǎn)品的尺寸、體積、形狀及托盤的外形尺寸發(fā)生變化時只需在觸摸屏上稍做修改即可，不會影響客戶的正常的生產(chǎn)。而機械式的碼垛機更改相當?shù)穆闊┥踔潦菬o法實現(xiàn)的。

4 能耗低。以前的機械式碼垛機的功率一般都會在30kW左右，而我們將要優(yōu)化的碼垛機器人的功率控制在5kW左右。這不僅能夠可以節(jié)約能量，還能夠降低了運行成本。

5 操作界面將更加地簡單、方便，它的操作界面將會全部控制放在一個可控制柜屏幕上操作，對相對控制機器人的操作人員要求不高，更加地減低人員成本。

結(jié)語

第一，碼垛機器人的出現(xiàn)能夠提高社會的生產(chǎn)效率，改善的員工勞動環(huán)境，在一定程度上還能夠保證成品的質(zhì)量，減少人為的失誤。第二，對提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動強度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。第三，優(yōu)化作業(yè)布局有著突出的貢獻，碼垛機器人的優(yōu)勢是工作性能和可靠性高、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量都很好。

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