一種新型混聯(lián)碼垛機(jī)器人的靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄒曉暉，王紅州，陳潤(rùn)六，鄭小民，趙峰惠

（1.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002；2.江西現(xiàn)代學(xué)院，江西南昌330002）

一種新型混聯(lián)碼垛機(jī)器人的靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄒曉暉1，王紅州1，陳潤(rùn)六1，鄭小民1，趙峰惠2

（1.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002；2.江西現(xiàn)代學(xué)院，江西南昌330002）

以所開(kāi)發(fā)的一種新型混聯(lián)碼垛機(jī)器人為研究對(duì)象，建立其虛擬樣機(jī)。應(yīng)用SolidWorks Simulation模塊首先對(duì)樣機(jī)中的動(dòng)平臺(tái)、回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)；對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人在最大載荷下的幾個(gè)關(guān)鍵位姿進(jìn)行分析，得到其在工作空間內(nèi)的應(yīng)變、應(yīng)力和位移云圖。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵零件的改進(jìn)提高了混聯(lián)碼垛機(jī)器人的剛度和力學(xué)性能；對(duì)整機(jī)的分析得出了混聯(lián)碼垛機(jī)器人在它給定的工作空間內(nèi)靜剛度分布特點(diǎn)，為以后混聯(lián)碼垛機(jī)器人的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考。

混聯(lián)；碼垛機(jī)器人；靜態(tài)力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

碼垛機(jī)器人是完成碼垛作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，始于20世紀(jì)70年代末。目前，ABB、FANUC、KUKA、OKURA以及FUJI等主流機(jī)器人廠(chǎng)家均擁有系列化的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品，并壟斷了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)[1-3]。近年來(lái)，我國(guó)機(jī)器人力量迅速崛起，并在碼垛機(jī)器人方面實(shí)現(xiàn)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的突破。寶雞新科機(jī)械制造有限公司研制出RMD70型機(jī)器人（碼垛機(jī)械手）[4]；楊灝泉等人[5]研發(fā)了一種通用碼垛、拆垛的SCARA機(jī)器人，采用的結(jié)構(gòu)形式是水平關(guān)節(jié)的；李成偉等人[6]設(shè)計(jì)了一種4自由度關(guān)節(jié)式并聯(lián)搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，對(duì)塑料箱、硬紙箱、盒裝物、袋狀物等搬運(yùn)碼垛只需更換手爪即可；蘇海新等人[7]研究的具有4個(gè)自由度的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人，其主體結(jié)構(gòu)是基于平衡吊原理的七桿機(jī)構(gòu)。

市場(chǎng)上最常見(jiàn)的碼垛機(jī)器人均為串聯(lián)構(gòu)型。串聯(lián)構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、控制簡(jiǎn)單，但也存在剛性差、慣量大、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能差的缺點(diǎn)。本文將具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高等優(yōu)點(diǎn)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到碼垛機(jī)器人構(gòu)型上，設(shè)計(jì)出兼具串并聯(lián)構(gòu)型優(yōu)點(diǎn)的混聯(lián)碼垛機(jī)器人。

該混聯(lián)碼垛機(jī)器人最大載重200 kg，位置重復(fù)定位精度為±0.5 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)器人主要由底座、兩臺(tái)下電動(dòng)缸、上電動(dòng)缸、大臂、小臂、動(dòng)平臺(tái)及回轉(zhuǎn)臺(tái)組成。其中，由底座、下電動(dòng)缸、大臂及回轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成2-UPS/U并聯(lián)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)大臂的抬升和旋轉(zhuǎn)兩自由度運(yùn)動(dòng)；由上電動(dòng)缸、大臂、小臂構(gòu)成RPR/R串聯(lián)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)小臂的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)安裝兩個(gè)平行四邊形來(lái)保證動(dòng)平臺(tái)始終處于水平位姿。當(dāng)在動(dòng)平臺(tái)上安裝具有旋轉(zhuǎn)功能的機(jī)械抓手后就可完成空間三維平移一維轉(zhuǎn)動(dòng)的碼垛任務(wù)。

圖1　混聯(lián)碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)碼垛機(jī)器人的靜態(tài)力學(xué)分析是設(shè)計(jì)初始階段中很關(guān)鍵的步驟。碼垛機(jī)器人關(guān)鍵零件在外力作用下的位移分布、應(yīng)力和應(yīng)變可以通過(guò)分析得出，并根據(jù)結(jié)果推斷出結(jié)構(gòu)中需要加強(qiáng)的部位以及設(shè)計(jì)中存在的若干問(wèn)題。

本文對(duì)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)依賴(lài)于在SolidWorks軟件中用Simulation模塊對(duì)碼垛機(jī)器人的整機(jī)關(guān)鍵位姿和主要零件進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，得出了混聯(lián)碼垛機(jī)器人在最大載荷工況下工作空間內(nèi)的剛度分布規(guī)律，以期最終達(dá)到提高其位置精度、靜態(tài)剛度和動(dòng)力學(xué)性能的目的。

1　關(guān)鍵零件的靜態(tài)力學(xué)分析和改進(jìn)

由于形狀復(fù)雜而不能用相關(guān)的公式進(jìn)行剛度的計(jì)算，因此需要對(duì)碼垛機(jī)器人的主要零件回轉(zhuǎn)臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，才能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的薄弱點(diǎn)予以發(fā)現(xiàn)。下面以動(dòng)平臺(tái)為例，給出其有限元分析的過(guò)程和結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。

1.1動(dòng)平臺(tái)靜態(tài)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）動(dòng)平臺(tái)材料、邊界條件的設(shè)置以及網(wǎng)格劃分的設(shè)定

設(shè)置動(dòng)平臺(tái)的材料為普通碳鋼，屈服強(qiáng)度材料密度、彈性模量分別為220 MPa、7.8 g/cm3，211 GPa.網(wǎng)格劃分采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器，單元大小為6.048 mm，雅可比設(shè)置為4點(diǎn)，單元總數(shù)為68 156，公差為0.302 mm，nodes為106 187.邊界條件如下：重力加速度方向，動(dòng)平臺(tái)圓孔處施加2 000 N的力，以固定鉸鏈連接的方式將平行四邊形機(jī)構(gòu)連桿、小臂與動(dòng)平臺(tái)連接。動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)前的應(yīng)力云圖如圖3所示。

（2）動(dòng)平臺(tái)的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)網(wǎng)格劃分后計(jì)算結(jié)果可分析該實(shí)體的薄弱處即各云圖，應(yīng)變、應(yīng)力較大的位置。位移、應(yīng)變和應(yīng)力云圖如圖2、3、4所示。

圖2　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)前的位移云圖

圖3　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)前的應(yīng)變?cè)茍D

圖4　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)前的應(yīng)力云圖

在材料、邊界條件、載荷均不變的情況下，通過(guò)重新劃分網(wǎng)格，計(jì)算得到分別如圖5、圖6、圖7所示的改進(jìn)后的位移、應(yīng)變和應(yīng)力云圖。在如圖6所示的位置增加加強(qiáng)筋以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，。

圖5　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)后的位移云圖

圖6　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)后的應(yīng)變?cè)茍D

圖7　動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)后的應(yīng)力云圖

對(duì)比顯示，增加加強(qiáng)筋后，樣機(jī)靜態(tài)剛度得到了提高。這是因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布在同樣負(fù)載下的最大值都顯著減小。

1.2回轉(zhuǎn)臺(tái)的靜態(tài)力學(xué)分析和改進(jìn)

對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人的回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析的方法與前同，根據(jù)分析結(jié)果在合適的位置增加了加強(qiáng)筋。改進(jìn)前后的回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖8所示。

圖8　改進(jìn)前后回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2　混聯(lián)碼垛機(jī)器人的靜態(tài)力學(xué)分析

對(duì)在最大載荷工況下混聯(lián)碼垛機(jī)器人工作空間內(nèi)的幾個(gè)關(guān)鍵位姿進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，得到的整機(jī)位移云圖可掌握其剛度分布規(guī)律，而應(yīng)變、應(yīng)力云圖則能了解不同位姿下混聯(lián)碼垛機(jī)器人的受力情況。混聯(lián)碼垛機(jī)器人的四個(gè)關(guān)鍵位姿點(diǎn)和工作空間如圖9所示。其中A點(diǎn)為最高點(diǎn)，B點(diǎn)為最遠(yuǎn)點(diǎn)，C點(diǎn)為電動(dòng)缸初始位置點(diǎn)，D點(diǎn)為最低點(diǎn)。以B點(diǎn)（混聯(lián)碼垛機(jī)器人位于工作空間最遠(yuǎn)端的的）為例，來(lái)闡述整個(gè)靜態(tài)力學(xué)分析的過(guò)程。

圖9　混聯(lián)碼垛機(jī)器人的工作空間及關(guān)鍵位姿

2.1混聯(lián)碼垛機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)位于B點(diǎn)時(shí)的靜態(tài)力學(xué)分析

設(shè)置材料：將整機(jī)各零件件材料全部設(shè)定為普通碳鋼。

邊界條件與載荷：為方便分析，對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，構(gòu)建了一個(gè)剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)，將機(jī)器人中不關(guān)心變形的零部件均設(shè)為剛體；將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電動(dòng)缸簡(jiǎn)化為一根兩頭帶鉸鏈的圓柱，也設(shè)為剛體；回轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、動(dòng)平臺(tái)以及平行四邊形拉桿設(shè)為柔性體，劃分有限元進(jìn)行分析。各零件件保持裝配關(guān)系，設(shè)置為全局接觸。添加引力，在動(dòng)平臺(tái)上施加2 000 N的力。將底座設(shè)定為固定。

網(wǎng)格類(lèi)型為混合網(wǎng)格，雅可比設(shè)置為4點(diǎn)，單元總數(shù)為607 092，nodes為1 077 359，采用基于曲率的網(wǎng)格器進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分。

由分析結(jié)果得到混聯(lián)碼垛機(jī)器人在工作空間B點(diǎn)時(shí)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力云圖，并可知混聯(lián)碼垛機(jī)器人在此位姿時(shí)的受力情況，如圖10、11、12所示。

圖10　B點(diǎn)位移云圖

圖11　B點(diǎn)應(yīng)變?cè)茍D

圖12　B點(diǎn)應(yīng)力云圖

2.2位于其他關(guān)鍵位姿時(shí)混聯(lián)碼垛機(jī)器人的靜態(tài)力學(xué)分析

對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人位于其他關(guān)鍵位姿時(shí)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，得出在最大載荷工況下如圖13～圖15所示的碼垛機(jī)器人位于工作空間A點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)時(shí)的位移云圖。

圖13　A點(diǎn)位移云圖

圖14　C點(diǎn)位移云圖

圖15　D點(diǎn)位移云圖

混聯(lián)碼垛機(jī)器人在其工作空間內(nèi)的剛度分布規(guī)律可通過(guò)分析相同載荷下不同位姿時(shí)的位移云圖而得到。

混聯(lián)碼垛機(jī)器人在其工作空間內(nèi)的剛度分布規(guī)律可通過(guò)分析相同載荷下不同位姿時(shí)的位移云圖而得到。

2.3結(jié)果分析

從以上圖形可看出，動(dòng)平臺(tái)在遠(yuǎn)離混聯(lián)碼垛機(jī)器人時(shí)的位移量大于靠近混聯(lián)碼垛機(jī)器人時(shí)，即其靜剛度在靠近混聯(lián)碼垛機(jī)器人時(shí)較大。在B點(diǎn)附近位移量取得最大值，而A點(diǎn)和D點(diǎn)處機(jī)器人位移的主要原因是小臂變形和大臂變形。不同位姿下大臂和小臂變形量的不同導(dǎo)致動(dòng)平臺(tái)靜剛度隨位姿變化。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人整機(jī)和關(guān)鍵零件進(jìn)行的靜態(tài)力學(xué)分析的結(jié)果，做出結(jié)構(gòu)改進(jìn)后得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)應(yīng)變、應(yīng)力云圖，在回轉(zhuǎn)臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)這種形狀復(fù)雜的零件的正確位置增加加強(qiáng)筋，可以明顯提高其剛度；

（2）混聯(lián)碼垛機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)在相同載荷下的剛度隨其在工作空間內(nèi)的所處位置不同而不同，而離碼垛機(jī)器人最遠(yuǎn)處剛度最小。

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Static Analysis and Structural Optimization of A Novel Hybrid Palletizing Robot

ZOU Xiao-hui1，WANG Hong-zhou1，CHEN Run-liu1，ZHENG Xiao-min1，ZHAO Feng-hui2
（1.Jiangxi Institute of Mechanical Science，Nanchang Jiangxi 330002，China；2.Jiangxi Modern College，Nanchang Jiangxi 330002，China）

With a novel hybrid palletizing robot developed as the research object，builded the virtual prototype which was optimized according to the results of the static analysis carried on，while SolidWorks Simulation module was used in motion platform and rotary base of module.Stress and strain of the whole machine and displacement nephogram in the workspace were obtained through the analysis of several typical positions and poses of the whole machine under the maximum load.The static stiffness and dynamic performance of palletizing robot were improved through the optimization of parts.Analysis of the whole machine has obtained the static stiffness distribution characteristics of the hybrid palletizing robot in the workspace.Those provided a reference for design of the hybrid palletizing robot.

hybrid；palletizing robot；static analysis；structural optimization

TH112

A

1672-545X（2016）10-0011-04

2016-07-04

江西省科技支撐重大項(xiàng)目（20152ACE50009）

鄒曉暉（1976-），男，江西南昌人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)。