王紅州，鄒曉暉，陳潤六，鄭小民

（江西省機械科學(xué)研究所，江西南昌330002）

基于ANSYS的混聯(lián)碼垛機器人主要部件受力分析

王紅州，鄒曉暉，陳潤六，鄭小民

（江西省機械科學(xué)研究所，江西南昌330002）

一種混聯(lián)碼垛機器人主要由大臂和小臂組成，大臂的擺動與俯仰運動采用2-UPS/U并聯(lián)構(gòu)型來實現(xiàn)，小臂串聯(lián)在大臂上。混聯(lián)機器人整體剛度好、穩(wěn)定性好，但并聯(lián)結(jié)構(gòu)的受力情況較復(fù)雜，因此需要對主要部件進(jìn)行受力分析。采用ANSYS軟件對混聯(lián)碼垛機器人的主要部件進(jìn)行了受力分析，并制造了樣機進(jìn)行驗證。

混聯(lián)機構(gòu)；碼垛機器人；受力分析

市場上的碼垛機器人主要采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而串聯(lián)機器人驅(qū)動部分安裝在關(guān)節(jié)處，造成機器人本體笨重、慣量大，且有誤差累積[1]。與之相對的并聯(lián)機器人具有高精度、高速度、高負(fù)載能力、無誤差累積等，但其工作空間較小[2]。因此，針對串聯(lián)、并聯(lián)機器人的特點，江西省機械科學(xué)研究所研發(fā)了一種混聯(lián)結(jié)構(gòu)的碼垛機器人[3-5]。該機器人主要由大臂和小臂組成，大臂的擺動和俯仰運動通過2-UPS/U并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，小臂串聯(lián)在大臂上。承力最大的大臂與兩個電動缸構(gòu)成了一個三棱錐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好。

本文應(yīng)用ANSYS軟件對江西省機械科學(xué)研究所設(shè)計的混聯(lián)碼垛機器人進(jìn)行了主要部件的受力分析。

1 混聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)簡介

混聯(lián)碼垛機器人的主要結(jié)構(gòu)由大臂、小臂、回轉(zhuǎn)臺、平行連桿、保持架、末端夾持器以及三個驅(qū)動電動缸組成?；剞D(zhuǎn)臺通過轉(zhuǎn)動副與機架連接，大臂通過轉(zhuǎn)動副與回轉(zhuǎn)臺連接，大臂通過轉(zhuǎn)動副與小臂連接，平行連桿連接回轉(zhuǎn)臺、保持架與末端夾持器。三個電動缸是驅(qū)動，其一通過轉(zhuǎn)動副連接大臂與小臂，另外兩個一端通過虎克鉸連接機架，另一端通過球鉸連接大臂?；炻?lián)碼垛機器人具體結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

圖1 混聯(lián)碼垛機器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 混聯(lián)碼垛機器人虛擬樣機

2 混聯(lián)碼垛機器人受力分析

為了提高混聯(lián)碼垛機器人關(guān)鍵部件的可靠性，采用ANSYS軟件對大臂和底座進(jìn)行了受力分析。

2.1 大臂的分析

大臂是碼垛機器人承載最大的部件，對大臂進(jìn)行受力分析十分有必要。大臂的受力情況可從兩方面進(jìn)行分析。第一，固定一端，A、D兩點固定，在B、C處加載左右各20 kN的力，圖3所示為加載力及大臂應(yīng)力云圖；第二，固定兩端，A、B固定，在CD處加載豎直各20 kN的力，圖4所示為加載力及大臂應(yīng)力云圖。

圖3 一端固定大臂加載力與應(yīng)力云圖

圖4 兩端固定大臂加載力與應(yīng)力云圖

2.2 底座的分析

底座通過承載兩個驅(qū)動電動缸將機器人大臂、小臂支撐起來，是關(guān)鍵受力部件?？紤]支撐點受力較大，因而在承載電動缸的B、C兩點分別加豎直方向20 kN載荷，其加載力及應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 底座加載力與應(yīng)力云圖

對碼垛機器人的大臂與底座進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力都不超過100 MPa，材料可選普通碳鋼即可。

3 碼垛機器人的樣機驗證

按照虛擬樣機模型，繪制工程圖并制造加工樣機一臺，如圖6所示。樣機加載運行后驗證機器人主要部件的受力情況良好，能夠滿足實際碼垛需求。

圖6 試驗樣機

4 結(jié)束語

本文介紹了一種混聯(lián)碼垛機器人，使用ANSYS進(jìn)行了主要部件的受力分析并制造了樣機進(jìn)行驗證，得出如下結(jié)論：（1）大臂受載后形變在可接受范圍；（2）底座受載后形變也在可接受范圍；（3）樣機運行流暢，能滿足實際使用的需求。本文的分析為后續(xù)的產(chǎn)品制造可提供一定的理論實驗依據(jù)。

[1]朱思俊.少自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)及五自由度并聯(lián)機構(gòu)的相關(guān)理論[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2007.

[2]黃真，趙永生，趙鐵石.高等空間機構(gòu)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]王紅州，鄭小民，陳潤六，等.基于螺旋理論的并聯(lián)碼垛機器人構(gòu)型綜合[J].制造業(yè)自動化，2014，36（7）：108-111.

[4]鄭小民，王紅州，高健，等.一種混聯(lián)碼垛機器人機構(gòu)的設(shè)計及仿真[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2014，36（4）：384-388.

[5]鄒曉暉，王紅州，陳潤六，等.一種新型混聯(lián)碼垛機器人的設(shè)計與分析[J].制造業(yè)自動化，2016，3，8（11）：91-94.

Force Analysis of Main Components of Hybrid Palletizing Robot Based on ANSYS

WANG Hong-zhou，ZOU Xiao-hui，CHEN Run-liu，ZHENG Xiao-min
（Jiangxi Mechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi 330002，China）

A hybrid palletizing robot is mainly composed of arm and forearm.Using 2-UPS/U structure，the arm can achieved swing motion and pitch motion，and forearm series on the arm.Hybrid robot have the advantage of high stiffness and stability.Due to the force of the parallel structure is complex，we need to analyze for the main components.This article made a force analysis of main components of hybrid palletizing robot based on ANSYS，and proved it use a physical prototype.

parallel series mechanism；palletizing robot；force analysis

TH112

A

1672-545X（2017）06-0011-02

2017-03-06

1.江西省重點科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化計劃項目編號為20161ACI90009；2.江西省科技支撐重大項目（20152ACE50009）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，工程師，研究方向：機器人與并聯(lián)機構(gòu)。