孫佳濤，黃金鳳，呂玉明，董珈皓

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

目前世界各國的水泥生產行業(yè)中，袋裝水泥的產量仍然很大。水泥裝載過程中大多采用“膠帶傳送機-人工碼包”的方式，這種傳統(tǒng)的裝載方法由于勞動強度大、效率低、裝運量小，無法有效配合現(xiàn)代包裝機械，且工作環(huán)境惡劣、揚塵嚴重，對裝載工作人員的身體健康以及空氣環(huán)境都造成嚴重影響[1]。因此，迫切需要一套高效的自動袋裝水泥裝車設備，以降低生產成本、提高裝車效率、減小環(huán)境污染。

在袋裝水泥裝車機械手的研究中，為改善其性能，在設計階段應采用現(xiàn)代先進的設計和分析方法對機械手的整體結構和主要部件進行分析和優(yōu)化[2]。本文利用三維建模軟件SolidWorks建立機械手模型，通過ANSYS Workbench軟件對機械手進行靜力學分析，檢驗主要受力部位的結構強度，為結構優(yōu)化及樣機的研制提供依據。

1 裝車機械手結構設計

機械手由基座處兩伺服電機相互協(xié)同配合控制兩大臂轉動預定角度，進而帶動連接在大臂上的兩小臂運動，最終使安裝在小臂末端的搬運廂到達預定位置，而安裝在搬運廂上方的伺服電機控制搬運廂轉動預定角度，最終使袋裝水泥按照碼放要求到達指定位置，從而實現(xiàn)機械臂接取、平移、推送等一系列動作，機械臂總體結構如圖1所示。

圖1 機械臂整體結構圖

小臂長度為1 200 mm，大臂長度為650 mm，機械臂安裝的兩基座中心距為1 000 mm。大臂外殼選用(120×60×4)mm空心結構鋼，小臂外殼選用(120×50×4)mm空心結構鋼。

2 有限元分析

機器人靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，計算在固定不變載荷作用下大臂和小臂的位移、應力，靜力分析可以為機器人的結構優(yōu)化提供非常重要的參考[3]。本文采用ANSYS Workbench軟件進行建模仿真，Workbench所提供的CAD雙向參數鏈接互動、項目數據自動更新機制、全面的參數管理、無縫集成的優(yōu)化升級工具，避免了CAD模型導入經典ANSYS軟件出現(xiàn)丟線、丟面或丟體等現(xiàn)象。另外，ANSYS Workbench在模型的處理、網格的劃分、后處理功能等方面相比經典ANSYS有較大的優(yōu)勢[4]。

有限元分析過程可分為前處理和后處理兩個階段。在前處理階段主要完成的工作有：通過SolidWorks與ANSYS Workbench無縫連接接口直接將CAD模型導入Workbench中，在Workbench軟件中完成材料屬性的加載、接觸面的約束、網格的劃分[5]。后處理主要完成數據的生成，靜力學分析包括應力分析、應變分析以及整體變形分析。

分別將機械手的大臂與小臂模型導入Workbench中，并對模型進行材料屬性加載，材料選用結構鋼，其密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。對模型進行網格劃分，網格的疏密程度會直接影響到計算結果的精度，經過適當調整網格劃分參數，確定了機械手有限元網格劃分模型。其中大臂模型共劃分2 278個網格、4 379個節(jié)點；小臂模型共劃分3 633個網格、7 261個節(jié)點。大臂和小臂網格劃分結果分別如圖2、圖3所示。

在大臂末端軸孔內壁添加固定約束，為大臂整體添加Standard Earth gravity，并將小臂與搬運廂的重量等效簡化為350 N豎直向下的力添加在大臂前端。對模型進行求解，得到大臂等效應力云圖、等效應變云圖及整體變形云圖，如圖4～圖6所示。

在小臂末端與大臂連接軸孔處添加固定約束，為小臂整體添加Standard Earth gravity，并將搬運廂重量等效簡化為100 N豎直向下的力添加在小臂前端。對模型進行求解，得到小臂等效應力云圖、等效應變云圖及整體變形云圖，如圖7～圖9所示。

3 結論

通過ANSYS有限元分析可知大臂的最大應力出現(xiàn)在大臂末端的軸孔處，最大應力值為9.72 MPa,最大變形量為0.25 mm；小臂的最大應力出現(xiàn)在與大臂連接的軸孔處，最大應力值為9.49 MPa,最大變形量為0.65 mm。大臂與小臂的最大應力值均遠小于材料的屈服強度345 MPa,且最大形變微小，不會對機械手工作精度造成影響。機械手整體結構符合設計要求，本文的研究對裝車機械手樣機的研制與進一步優(yōu)化具有指導意義。

圖2 大臂網格劃分 圖3 小臂網格劃分

圖4 大臂等效應力云圖 圖5 大臂等效應變云圖 圖6 大臂整體變形圖

圖7 小臂等效應力云圖 圖8 小臂等效應變云圖 圖9 小臂整體變形圖

參考文獻：

[1] 姚伯剛.國外袋水泥裝載技術概況[J].中國建材,1987(7):40-41.

[2] 管貽生,鄧休,李懷珠.工業(yè)機器人的結構分析與優(yōu)化[J].華南理工大學學報(自然科學版),2013,41(9):126-131.

[3] 蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2009.

[4] Moaveni S.Finite element analysis theory and application with ANSYS[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003.

[5] 姜振廷,鄭忠才,董旭.基于ANSYS Workbengh的六自由度機械臂有限元分析及結構優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2014(1):109-110.