黃海峰

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西 桂林541004）

基于SolidWorks碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件有限元分析

黃海峰

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西 桂林541004）

以碼垛機(jī)器人虛擬樣機(jī)作為研究對(duì)象，分析機(jī)器人在靜態(tài)下的受力情況，運(yùn)用SolidWorks的simulation模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上，校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，能夠減輕整體的重量，降低生產(chǎn)成本。

SolidWorks；碼垛機(jī)器人；有限元分析

近年來，在低價(jià)勞動(dòng)力供給下滑、工資上漲、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的大背景下，“機(jī)器換人”屢被提及。碼垛機(jī)器人在解決勞動(dòng)力不足、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率等方面具有很大潛力[1]。國外從20世紀(jì)60年代開始研究工業(yè)機(jī)器人，我國在這方面的研究剛起步不久，還需加快研究步伐，提高研究水平[2]。

本文研究的機(jī)器人如圖1所示。利用SolidWorks simulation模塊，可以對(duì)本款碼垛機(jī)器人的主要零部件在靜態(tài)下進(jìn)行線性分析，校核零部件的強(qiáng)度剛度，并根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)機(jī)器人的主要部件進(jìn)行優(yōu)化，完成碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改善其工作性能。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本機(jī)器人應(yīng)具有升降、伸縮、回轉(zhuǎn)、整體移動(dòng)這四個(gè)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器4部分組成。

2 主要零部件的靜力學(xué)分析和優(yōu)化

SolidWorks simulation是一種基于有限元分析（即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，是SRAC公司開發(fā)的工程分析軟件之一，能對(duì)零件和裝配體進(jìn)行靜應(yīng)力分析[3]。機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證功能要求的前提下，通過優(yōu)化－簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可獲得最大限度的優(yōu)良性能，其中結(jié)構(gòu)上的要求除保證強(qiáng)度、剛度、可靠性外，就是盡可能減輕質(zhì)量。對(duì)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)，從能實(shí)現(xiàn)基本功能的最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)開始，然后根據(jù)有限元分析結(jié)果，對(duì)受力大的部位進(jìn)行加強(qiáng)、對(duì)不受力的部位減少材料，這也體現(xiàn)出CAD建模和有限元分析各自的優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)合無疑可以大大提升設(shè)計(jì)效率。

本文研究的碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和支撐部分主要由底座L型支撐板、長臂1、長臂2等構(gòu)件組成，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析，以發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的中的薄弱部位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的缺陷。長臂1和長臂2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實(shí)際需求，僅需對(duì)底座L型支撐板進(jìn)行分析。

2.1 L型支撐板的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化2.1.1材料屬性、邊界條件及網(wǎng)格劃分

本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人底座L型支撐板，采用的材料是Q235，材料的彈性模量為210 GPa，質(zhì)量密度為7.85 g/cm3，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為235 MPa.網(wǎng)格劃分采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，網(wǎng)格因子設(shè)置為5 mm，公差0.25，雅可比點(diǎn)選擇默認(rèn)值4點(diǎn)，單元大小為3.970489 mm，單元總數(shù)為7 649，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 462.邊界條件將底座L型支撐板與底板連接的四個(gè)孔設(shè)置為固定幾何體，底座L型支撐板的受力簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中F1是由機(jī)座以上的部件的自重及運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力產(chǎn)生的，今忽略空氣阻力，取最大極端值F1=500 N，F(xiàn)2是長臂1運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和一部分機(jī)器人機(jī)座上的自重所共同組成的，經(jīng)過初步的計(jì)算，今取最大極端值F2=100 N，F(xiàn)3是機(jī)器人在做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力，取最大極端值F3=50 N.綜上外部載荷取值如下：F1=500 N，F(xiàn)2=100N，F(xiàn)3=50 N，底座 L 型支撐板優(yōu)化前的應(yīng)力云圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖2 底座L支撐板受力簡(jiǎn)圖

圖3 優(yōu)化前應(yīng)力云圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D

2.1.2 結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

采用的變形比例為115.37，可以看到清晰的變形效果。在圖中應(yīng)力、應(yīng)變較大的位置為底座L支撐板的危險(xiǎn)區(qū)，在應(yīng)力云圖中可以看到結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力不大，符合要求，但是在合位移云圖中，結(jié)構(gòu)整體位移為0.1042 mm顯然不符合要求。所以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加筋處理，重新劃分網(wǎng)格、運(yùn)行計(jì)算，得到優(yōu)化后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖如圖4所示（網(wǎng)格劃分、邊界條件、外部載荷不變）。對(duì)比優(yōu)化前后的各云圖可以看出，增加筋結(jié)構(gòu)后，在相同負(fù)載下底座L支撐板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布都發(fā)生了變化，圖4顯示的結(jié)果比例擴(kuò)大到453.047倍，在應(yīng)力云圖中，各個(gè)位置均符合強(qiáng)度要求，最大的應(yīng)力值為37.27 MPa，在位移云圖中，整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大位移量為0.027 75 mm，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖4 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D

綜上對(duì)比優(yōu)化前后的各云圖可以看出，增加筋結(jié)構(gòu)后，在相同負(fù)載下，最大值較改進(jìn)前都有顯著減小，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的靜剛度。

3 結(jié)束語

本文利用SolidWorks軟件上自帶的simulation模塊對(duì)機(jī)器人的主要構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析分析，并根據(jù)結(jié)果對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化。得到如下結(jié)論：

（1）闡述了本機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種多自由度機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

（2）對(duì)機(jī)器人底部L型支撐板零部件，根據(jù)在SolidWorks simulation中得到的應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖，在正確的位置增加筋結(jié)構(gòu)，有效地規(guī)避了零件的危險(xiǎn)區(qū)，并顯著提高了零件的靜剛度。

[1]李學(xué)威，王富剛，張 鵬.碼垛機(jī)器人整機(jī)的有限元分析與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31（7）：.29-30.

[2]李曉剛，劉晉浩.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題及對(duì)策[J].包裝工程，2010（03）：96-97.

Finite Element Analysis of Structural Components of Palletizing Robot Based on SolidWorks

HUANG Hai-feng
（Guilin Guang Lu Digital Measurement and Control Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541004，China）

In this study，the virtual prototype of palletizing robot is taken as the research object，and the force of the robot under static condition is analyzed.The simulation module of solidworks is used to analyze the robot.On this basis，check and optimize the design of the robot body，so that the robot to meet the structural strength and stiffness under the premise of reducing the overall weight and reduce production costs.The analysis results provide the basis for optimizing the robot.

solidworks；palletizing robots；finite element analysis

TP242.2

A

1672-545X（2017）08-0040-03

2017-05-21

黃海峰（1988-），男，廣西平南人，助理工程師，本科，研究方向：機(jī)器人自動(dòng)化。