某桁架機械手結(jié)構(gòu)設計與剛度分析

摘要：桁架機械手是自動焊接生產(chǎn)線的重要組成部分，為了滿足某企業(yè)叉車門架自動焊接生產(chǎn)線大跨度、高載重、精度高的要求，設計開發(fā)出一款有效行程長36 m、寬9.76 m的桁架機械手，其最大載重1.5 t。為了確保其結(jié)構(gòu)性能要求，利用有限元分析工具，驗證其最大變形量小于2 mm，結(jié)構(gòu)剛度和強度都滿足設計要求；同時桁架機械手制造出來后，經(jīng)過現(xiàn)場裝機測試驗證，整體性能指標滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞：叉車門架 桁架機械手 結(jié)構(gòu)設計 有限元分析

Structural Design and Stiffness Analysis of a Truss Manipulator

LAO Song1，3 PAN Yajuan2* LI Bei1 LIU Xinyu （Yuxin？）1 LI Fusong2 HUANG Sheng2

WANG Jun2

1.Liuzhou Polytechnic University;2.Liuzhou Institute of Technology;3. Liuzhou Sansong Automation Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545000 China

Abstract：A truss manipulator is an important component of the automatic welding production line. In order to meet the requirements of the large span， high load and high accuracy of the automatic welding production line of the forklift mask of an enterprise， a truss manipulator with an effective travel length of 36m and a width of 9.76m was designed and developed， with a maximum load capacity of 1.5 t. In order to ensure the requirements of its structural performance， finite element analysis tools were used to verify that its maximum deformation was less than 2mm， and that both its structural stiffness and strength met design requirements. At the same time， after the manufacturing of the truss manipulator， it was verified through on-site installation testing that its overall performance indicators met the needs of users.

Key Words：Forklift mask; Truss manipulator; Structural design; Finite element analysis

叉車門架的焊接直接關(guān)系到叉車結(jié)構(gòu)的可靠性和工作的穩(wěn)定性，是叉車制造過程中至關(guān)重要的一環(huán)，傳統(tǒng)叉車門架的焊接采用人工為主，焊接工位的物流采用人工行車吊運等方式，工作效率低，擺放位置不一致使焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，一次合格率低[1-2]。桁架機械手作為自動化設備的重要的一種，主要為機器人焊接工作站進行上下料作業(yè)，具有高效、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，同時不需要人工干預，在自動焊接過程中發(fā)揮著重要的作用，也逐漸被企業(yè)廣泛采用[2-3]。而桁架機械手的剛度關(guān)系到工件取放的位置精度和準確性，目前比較有效的方式是通過有限元計算對桁架機械手的關(guān)鍵部件進行有限元分析，在制造前提前獲知桁架機械手的變形量，以驗證結(jié)構(gòu)剛度是否符合要求[4-5]。

本桁架機械手根據(jù)企業(yè)的要求先進行三維設計，并通過有限元分析驗證桁架機械手橫梁的剛度是否符合要求，達到設計要求后進行制造和現(xiàn)場調(diào)試，具體研究過程如下。

1 桁架機械手總體設計

1.1 設計背景

某企業(yè)新建某型叉車門架智能焊接生產(chǎn)線一條，由自動流水線、機器人焊接工作站、桁架機械手、補焊翻轉(zhuǎn)臺等組成。其中，桁架機械手負責線機器人焊接工作站進行上下料，桁架機械手自動將門架工件抓取并放置到各個機器人焊接工作站的夾具中，待機器人焊接完成后負責將工件抓取并搬運到流水線上。由于桁架機械手的跨距達10 m，工件最大重約1.1 t，加上本身自重，桁架機械手的橫梁承重約3.5 t。考慮機械手在抓取和放下工件時行走梁可能會上下晃動，在制造之前需對橫梁做有限元分析驗證，要求空載和重載時變形量小于2 mm。

1.2桁架設計參數(shù)和要求

（1）桁架尺寸為36 m×9.76 m，行走梁底面離地4 m。

（2）工件最重1 056 kg，要求垂直負載不小于1.5 t。

（3）工件尺寸最長4205 mm，最短1420 mm，最高563.5 mm。寬度最小為484 mm，寬度最大為940 mm。

（4）桁架負載行走時，行走梁變形小于2 mm。

1.3桁架機械手三維設計

經(jīng)過考慮工件的尺寸情況、行走梁的截面形狀及材質(zhì)，整體的制造工藝等要求，設計后的桁架機械手如下圖1所示，接下來對桁架機械手的行走梁進行有限元分析。

2 有限元靜力分析

由于桁架機械手的總體模型比較大，考慮到工作站的計算能力及實際的受力情況，接下來只對桁架機械手的行走梁進行有限元分析，考慮其剛度和強度情況。

2.1模型前處理

有限元分析的前處理至關(guān)重要，關(guān)系到計算的準確度以及計算的效率，要去除行走梁上的小孔以及一些對結(jié)構(gòu)受力影響不大的倒角，把結(jié)構(gòu)上的坡口和焊縫填補好，整個模型無異常的尖角和重疊的部位。處理完成的行走梁如下圖2所示，然后把處理好的模型導入有限元軟件中。

2.2模型邊界條件添加

行走梁的材料是Q235鋼，把材料的屬性加入模型之中，設置網(wǎng)格大小為4 mm，根據(jù)不同的地方選擇六面體網(wǎng)格或者四面體網(wǎng)格，局部進行精細化劃分，網(wǎng)格劃分完成后的行走梁如圖3所示，總體單元為6 943 745個，節(jié)點為2 115 489個。網(wǎng)格質(zhì)量滿足工程需求。

跟行走梁相連接的部件處理成約束或者載荷，行走梁的兩端添加固定約束，如圖4所示所示。

而行走梁最大的負載是3 500 kg，同時行走梁受到重力的作用，當載荷作用在行走梁的最中間時，行走梁的變形是最大的，添加載荷如圖5所示。

2.3計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算得到的行走梁的變形云圖如圖6所示，從圖6可以看出，在最大載荷作用下，行走梁的最大變形量1.2 mm左右，滿足少于2 mm的設計要求。

得到的行走梁的應力云圖如下圖7所示，應力為50 MPa，材料的需用應力為235 MPa，安全系數(shù)為4.7，結(jié)構(gòu)強度系數(shù)非常富余。

3 現(xiàn)場裝機調(diào)試

通過設計計算，驗證合格之后，VBZUjwhY2P7AwLaEVNDqAKC/R2UnQFqUGbtZukNV/Ng=進行桁架機械手的制造和安裝，并進行現(xiàn)場調(diào)試如圖8所示，經(jīng)過測試桁架機械手的設計滿足企業(yè)各項性能要求，為叉車門架焊接效率的提升打下了堅實的基礎。

4 結(jié)語

定制化的桁架機械手是企業(yè)智能化制造重要一環(huán)，本研究根據(jù)企業(yè)需求，定制化地成功開發(fā)了一款桁架機械手，在制造前經(jīng)過有限元的分析和計算，有效減少了設計的風險和制造成本，制造完成后調(diào)試安裝并驗證成功，滿足了企業(yè)智能化焊接生產(chǎn)線的需求，也為后續(xù)相關(guān)研究打下了堅實的技術(shù)基礎。

參考文獻

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