經(jīng)軸上落機(jī)器人空軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

陳威望+劉漢申+張洪

摘 要：闡述了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計(jì)出雙層貨叉機(jī)構(gòu)執(zhí)行空軸上軸并對(duì)其工作原理做出詳細(xì)分析。首先利用理論力學(xué)計(jì)算出貨叉的幾何尺寸范圍，再結(jié)合整經(jīng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，確定雙層貨叉的具體外形尺寸，并利用ANSYS Workbench軟件對(duì)貨叉受力最大位置進(jìn)行仿真分析，找到最大形變、應(yīng)力和應(yīng)變值。本設(shè)計(jì)為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：整經(jīng)機(jī)；經(jīng)軸；機(jī)器人；雙層貨叉；ANSYS Workbench

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.036

隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，紡織車(chē)間里自動(dòng)化生產(chǎn)程度日益提高，整經(jīng)作為織前準(zhǔn)備的一道重要工序，其運(yùn)輸和上落目前還是由人工進(jìn)行操作，自動(dòng)化程度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]。因此整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸機(jī)器人的研發(fā)，為紡織行業(yè)無(wú)人化車(chē)間的實(shí)現(xiàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 經(jīng)軸上落機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

如圖1所示，為經(jīng)軸上落機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖，為實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)軸落軸、空軸上軸的一體化，機(jī)器人采用上下結(jié)構(gòu)。相對(duì)質(zhì)量較小的空經(jīng)軸布置在上部。滿(mǎn)軸質(zhì)量較大，置于機(jī)器人底部。機(jī)器人工作過(guò)程：當(dāng)機(jī)器人裝載好空軸運(yùn)動(dòng)到整經(jīng)機(jī)車(chē)頭前指定位置，此時(shí)空軸在提升托臂3和雙層貨叉機(jī)構(gòu)5的配合下停留在如圖A位置。經(jīng)紗卷繞完畢，空置的滿(mǎn)軸上落小車(chē)9由B位置沿著滿(mǎn)軸上落小車(chē)軌道11運(yùn)行到整經(jīng)機(jī)車(chē)頭前D位置并把滿(mǎn)軸自動(dòng)裝載到小車(chē)上，小車(chē)沿著軌道退回到B位置。滿(mǎn)軸落軸完成后，提升電機(jī)4控制提升托臂把空軸從位置A點(diǎn)降到位置C點(diǎn)，空軸由C位置運(yùn)送到D位置，完成上軸，貨叉縮回。隨后機(jī)器人運(yùn)送滿(mǎn)軸至滿(mǎn)軸庫(kù)，完成卸載后，回到待機(jī)點(diǎn)為下次上落經(jīng)軸做準(zhǔn)備。

2 經(jīng)軸上落機(jī)器人貨叉機(jī)構(gòu)工作原理

為節(jié)省機(jī)器人的空間占用，盡可能在設(shè)計(jì)時(shí)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并使空軸在上落時(shí)前后伸縮平穩(wěn)，貨叉機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條直線(xiàn)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理[2-3]。貨叉機(jī)構(gòu)工作原理：如圖2所示，下層貨叉固定在提升托臂上，齒輪2和伺服電機(jī)4裝配后安裝固定在下層貨叉7上，齒條3安裝在上層貨叉1上，空軸托臂11安裝在上層貨叉1的前端用來(lái)拖取空軸10。當(dāng)貨叉工作時(shí)，伺服電機(jī)4上的齒輪2傳動(dòng)齒條3實(shí)現(xiàn)上層貨叉1的前后伸縮，與提升托臂配合工作實(shí)現(xiàn)空軸的上軸。

3 經(jīng)軸上落機(jī)器人貨叉機(jī)構(gòu)計(jì)算與有限元分析

3.1 雙層貨叉尺寸計(jì)算

由上述兩個(gè)公式可得到與關(guān)系式，因伺服電機(jī)安裝在上層貨叉和下層貨叉之間并固定在下層貨叉上（如圖2所示），雙層貨叉上下面之間需要一定空間，經(jīng)分析托起空經(jīng)軸的力主要由上層貨叉兩邊的鋼板來(lái)承受，因此取為15mm，為150mm。

3.2 雙層貨叉的有限元分析

（1）建立雙層貨叉模型。結(jié)合雙層貨叉的特點(diǎn)，本文采用Solidworks 軟件建建立雙層貨叉的三維模型。主要分析雙層貨叉前伸長(zhǎng)度最大時(shí)變形情況，因此設(shè)定貨叉前伸最大長(zhǎng)度為初始狀態(tài)。為了縮小計(jì)算時(shí)間，對(duì)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[5]。忽略次要特征，例如托臂倒角、圓角、連接螺栓等，雙層貨叉上安裝的齒條和電機(jī)也忽略。

（2）材料特性及網(wǎng)格劃分。雙層貨叉的鋼材材料采用Q235-B。有限元中均采用標(biāo)準(zhǔn)單位，雙層貨叉的設(shè)計(jì)單位為mm，因此對(duì)其材料屬性的單位進(jìn)行換算，泊松比取0.3，彈性模量取2.0e5MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa。本文采用自由劃分和映射劃分并用的方法，規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用自由劃分網(wǎng)格，不規(guī)則的采用映射劃分網(wǎng)格，使分析更加準(zhǔn)確可靠[6]。本次有限元分析的目的是得到雙層貨叉托取空軸時(shí)最大伸長(zhǎng)處的應(yīng)力應(yīng)變。雙層貨叉的有限元模型共包括108406個(gè)節(jié)點(diǎn)，53013個(gè)單元。有限元模型如圖4所示。

（3）計(jì)算結(jié)果分析。雙層貨叉托取空軸時(shí)，只有上層貨叉前后伸縮運(yùn)動(dòng)，因此將下叉看做固定面?？蛰S質(zhì)量為160Kg，為保證雙層貨叉在實(shí)際應(yīng)用中的安全性，設(shè)計(jì)托臂最大載荷為240Kg（安全系數(shù)取1.5倍）。經(jīng)過(guò)有限元求解，如圖4得到雙層貨叉的應(yīng)力云圖、y軸位移云圖。

從以上分析可知，圖4中云圖最大應(yīng)力是72.9MPa，小于許用應(yīng)力235MPa；圖4中最大應(yīng)變?yōu)?.52mm，小于L/1000=1mm。因此雙層貨叉機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足工程要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，主要對(duì)空軸上落機(jī)構(gòu)中的雙層貨叉的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹。并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)貨叉的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形量進(jìn)行分析計(jì)算，得到了最大托臂的最大應(yīng)力、應(yīng)變和形變，為雙層貨叉設(shè)計(jì)的可行性提供了理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：陳威望（1987-），男，在讀研究生，主要從事新型紡織機(jī)械方向的研究。endprint