基于焊接工藝的懸臂式重載碼垛機(jī)械手

陳雪松，侯榮國(guó)，呂 哲，王 濤，張 宇

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

碼垛機(jī)械手操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可以節(jié)省大量的人力物力，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，降低工人的工作強(qiáng)度[1]。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和勞動(dòng)力成本的提高，市場(chǎng)對(duì)碼垛機(jī)械手提出了更高的要求，為了使機(jī)械手向高速、重載、高精度、高靈活性方向發(fā)展，需要不斷改進(jìn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

針對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化，很多學(xué)者做了大量研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)通過(guò)優(yōu)化算法或有限元分析，調(diào)整零件局部的形狀，如改變壁厚、設(shè)置局部加強(qiáng)筋或者去除部分材料，做輕量化設(shè)計(jì)以及最大剛度設(shè)計(jì)[2-4]；(2)利用儀器如電阻應(yīng)變片測(cè)量和分析復(fù)雜承力構(gòu)件的應(yīng)力分布，以便校核和改進(jìn)設(shè)計(jì)[5]；(3)通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算機(jī)械手局部或整體結(jié)構(gòu)的固有頻率，在運(yùn)行時(shí)避開(kāi)這些頻率，防止發(fā)生共振[6-7]。然而，針對(duì)機(jī)械手本身制造工藝的研究卻很少，機(jī)械臂大多采用鑄造工藝，但是鑄件機(jī)械性能差、難以精確控制、質(zhì)量不穩(wěn)定，而且鑄造生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、有害氣體，污染環(huán)境，危害工人健康，因此改進(jìn)機(jī)械臂的制造工藝是非常必要的。

本文設(shè)計(jì)了一種三自由度重載精密碼垛機(jī)械手。通過(guò)SolidWorks建立三維實(shí)體模型，利用ANSYS和ADAMS進(jìn)行力學(xué)分析，以期通過(guò)改進(jìn)機(jī)械臂的局部結(jié)構(gòu)來(lái)提高機(jī)械手的強(qiáng)度和剛度，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求。

1 懸臂式重載碼垛機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)

該碼垛機(jī)械手采用多關(guān)節(jié)式平行四邊形結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)組成，兩者相互關(guān)聯(lián)但互不影響。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由大臂、小臂和兩連桿組成的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)Ⅰ組成，由兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)大臂和一個(gè)連桿作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在連桿機(jī)構(gòu)的作用下小臂作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。平衡機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)組成，基座、大臂、平衡連桿1和V形架組成平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)Ⅱ；小臂、手爪安裝座、平衡連桿2和V形架組成平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)Ⅲ。平衡機(jī)構(gòu)使得機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)保持手爪安裝座底端始終水平，即機(jī)械手末端執(zhí)行器的工作位姿始終保持不變[8]?？紤]到生產(chǎn)線布局和空間的限制，與以往的碼垛機(jī)械手不同，該機(jī)械手采用懸臂式結(jié)構(gòu)，基座位于機(jī)械手系統(tǒng)的最上方，不占用地面空間，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于車間的良好布局。該機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)3種不同方向的運(yùn)動(dòng)：大臂左右擺動(dòng)、小臂上下擺動(dòng)和腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 碼垛機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 The mechanical structure of palletizing robot

由于該機(jī)械手的技術(shù)要求是抓取并移動(dòng)1 000 kg的目標(biāo)重量，而且機(jī)械手自重將近3 000 kg，自身重量對(duì)機(jī)械手運(yùn)行的穩(wěn)定性、剛度及精度也會(huì)產(chǎn)生很大影響，所以該碼垛機(jī)械手的主要部件，如大臂、小臂、連桿、基座及腕部均采用焊接成形制造工藝。其主要優(yōu)勢(shì)是可以方便地將加工完成后的板材根據(jù)需要進(jìn)行組合焊接，從而減輕自重、節(jié)省材料、降低成本、方便加工、降低操作難度，并且結(jié)構(gòu)剛度大、整體性好，適合高強(qiáng)度、大剛度的中空結(jié)構(gòu)，能保證該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、強(qiáng)度變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

2 工作狀態(tài)下主要部件靜力學(xué)分析

由于該碼垛機(jī)械手的負(fù)載和自重均很大，有必要對(duì)其進(jìn)行靜剛度分析。在碼垛作業(yè)過(guò)程中，機(jī)械手的位姿不斷變化，在所受力矩最大的位置，利用ANSYS中Static Structural模塊對(duì)大臂、小臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到應(yīng)力分布和變形云圖，分析承力構(gòu)件的危險(xiǎn)位置，找到零件的薄弱點(diǎn)及應(yīng)力集中區(qū)，從而為機(jī)械手局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)[9]。

首先，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，在進(jìn)行有限元分析之前，需要對(duì)模型進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，即忽略對(duì)零件變形影響不大的螺紋孔、工藝孔及圓角、倒角等幾何特征，有利于提高劃分網(wǎng)格的質(zhì)量，保證模擬的準(zhǔn)確性和可靠性[10]。

機(jī)械手的大臂和小臂通過(guò)鋼板組合焊接而成，由于焊接接頭性能優(yōu)異，所以對(duì)材料本身性能要求不高，因此機(jī)械臂材料選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。由于該結(jié)構(gòu)鋼含碳適中，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能可以得到良好的配合，焊接件疲勞強(qiáng)度高，并且價(jià)格低廉，可有效降低制造成本。

表1 Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼性能參數(shù)
Tab.1 The performance parameters of Q235 carbon structure steel

密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa7.852100.3380235

2.1 大臂零件靜力學(xué)分析

大臂零件網(wǎng)格劃分選用20節(jié)點(diǎn)的186號(hào)單元類型，對(duì)于關(guān)鍵部位，如鋼板焊接處、兩端軸連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，網(wǎng)格劃分完成后共有376 132個(gè)節(jié)點(diǎn)，235 670個(gè)單元。對(duì)機(jī)械臂施加約束和載荷，在大臂上端圓周進(jìn)行面約束，下端孔施加載荷，然后進(jìn)行靜剛度計(jì)算，查看應(yīng)力分布情況及變形量，安全系數(shù)取1.5，得到的分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 大臂應(yīng)力分布云圖Fig.2 The stress distribution contour of big arm

圖3 大臂變形云圖Fig. 3 The deformation contour of big arm

從圖2和圖3中可以看出，應(yīng)力主要分布在鋼板焊接接頭處，即鋼板邊緣，在鋼板中部應(yīng)力很小。最大應(yīng)力為29.518 MPa，材料最大應(yīng)力強(qiáng)度極限為235 MPa，大于44.277 MPa(29.518×1.5)，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。最大變形量為0.352 mm，相對(duì)于大臂的長(zhǎng)度，變形量可以忽略不計(jì)，能保證機(jī)械手具有較高的工作精度，證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效。

2.2 小臂零件靜力學(xué)分析

小臂零件的靜應(yīng)力計(jì)算過(guò)程與大臂零件類似，在小臂右端和中部孔進(jìn)行面約束，左端孔施加載荷。應(yīng)力和變形云圖如圖4、圖5所示。

圖4 小臂應(yīng)力分布云圖Fig. 4 The stress distribution contour of small arm

圖5 小臂變形云圖Fig. 5 The deformation contour of small arm

從圖4和圖5中可以看出，在滿負(fù)載情況下，應(yīng)力主要分布在小臂前半部分鋼板焊接處，后半部分所受應(yīng)力很小，可在后半部分去除適量材料，減輕小臂重量，做輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)整體剛度幾乎無(wú)影響。小臂承受的最大應(yīng)力為39.803 MPa，出現(xiàn)在中部連接件與小臂連接的位置，因?yàn)檫B接處采用焊接工藝，焊接接頭力學(xué)性能良好、剛度大，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。最大變形量為0.147 mm，在允許范圍之內(nèi)，小臂在該工況條件下能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了保證碼垛機(jī)械手運(yùn)行快速、平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)要求，利用ADAMS對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[11]。將SolidWorks裝配模型另存為Parasolid x_t格式，導(dǎo)入ADAMS中[12]，并定義各部件的材料屬性，自動(dòng)計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量，確定各部件的質(zhì)心。根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，對(duì)模型添加約束及轉(zhuǎn)動(dòng)副，模擬整個(gè)工作行程，包括提升，平移，下放，復(fù)位4個(gè)階段。如圖1所示，大臂和小臂只有Y、Z兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，大臂和小臂在Y方向上的速度與加速度變化如圖6、圖7所示，大臂和小臂在Z方向上的速度與加速度變化如圖8、圖9所示(圖中實(shí)線為小臂，虛線為大臂)。

圖6 大臂和小臂在Y方向的速度變化曲線Fig. 6 The velocity curves of big arm and small arm in Y direction

圖7 大臂和小臂在Y方向的加速度變化曲線Fig. 7 The acceleration curves of big arm and small arm in Y direction

圖8 大臂和小臂在Z方向的速度變化曲線Fig. 8 The velocity curves of big arm and small arm in Z direction

圖9 大臂和小臂在Z方向的加速度變化曲線Fig. 9 The acceleration curves of big arm and small arm in Z direction

由圖6—圖9可知，機(jī)械手大臂和小臂的控制精度較高，結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且控制性能良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種懸臂式重載碼垛機(jī)械手，為了提高其結(jié)構(gòu)剛度、降低制造成本，該機(jī)械手的主要零件采用了焊接制造工藝。利用ANSYS和ADAMS對(duì)大臂和小臂進(jìn)行的靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真表明，大臂和小臂的強(qiáng)度和剛度完全滿足設(shè)計(jì)要求，且控制靈敏度較高，運(yùn)行平穩(wěn)、快速。該設(shè)計(jì)還能節(jié)省材料、降低加工難度，為下一步碼垛機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和改進(jìn)提供了理論支持。