碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

李占賢，李兆盈

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

1 碼垛機(jī)械手輕量化設(shè)計(jì)方案

本文開(kāi)發(fā)的用于陶瓷坐便器裝卸車的碼垛機(jī)械手為直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有4個(gè)自由度，如圖1所示。橫行基座通過(guò)導(dǎo)軌滑塊沿X 向運(yùn)動(dòng)，走行橫梁通過(guò)導(dǎo)軌滑塊在支撐梁上沿Y 向運(yùn)動(dòng)，提升臂沿Z 向運(yùn)動(dòng)，叉子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手整體采用結(jié)構(gòu)鋼，跨度為7 m×5m，高3m，空載運(yùn)行速度為35m／min，重載運(yùn)行速度為25m／min，其跨度大、速度高、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大。

圖1 碼垛機(jī)械手直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

采用有限元分析軟件對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：

（1）建立裝卸機(jī)械手各關(guān)鍵零件的三維幾何模型及整體幾何模型，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。

（2）建立有限元計(jì)算模型，包括選定單元類型、劃分網(wǎng)格、確定邊界條件、施加約束及載荷等。

（3）分析機(jī)械手在靜態(tài)工作情況下的受力分布及變形情況，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善機(jī)械手的受力情況。

（4）選擇幾種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并對(duì)幾種方案進(jìn)行對(duì)比分析，最后確定機(jī)械手的總體輕量化設(shè)計(jì)方案，在保證滿足機(jī)械手結(jié)構(gòu)承重能力的前提下，減輕機(jī)械手質(zhì)量，有效降低機(jī)械手慣量及動(dòng)態(tài)負(fù)荷，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)更靈活。

2 機(jī)械手各關(guān)鍵零件的輕量化設(shè)計(jì)

2.1 叉子結(jié)構(gòu)的靜力分析及優(yōu)化

機(jī)械手叉子由方管和鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)上叉子屬于懸伸件，受使用空間限制，其結(jié)構(gòu)薄弱，變形應(yīng)力大，因此有必要對(duì)其進(jìn)行分析。利用ANSYS有限元分析軟件建立叉子的有限元模型，采用Solid92 的3D10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元對(duì)叉子進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)叉子施加邊界約束條件和載荷，叉子旋轉(zhuǎn)軸承處作為支撐點(diǎn)限制3個(gè)方向自由度，叉子上表面處承受載荷40kg。加載及約束后進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 叉子結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

叉子最大位移發(fā)生在叉子齒最外端，為0.813mm；最大應(yīng)力發(fā)生在叉子與旋轉(zhuǎn)軸連接處，為166 MPa。叉子所受載荷一部分來(lái)自于自重，一部分來(lái)自于承載重物。叉子承載重物為定值，對(duì)叉子進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮減輕叉子自重，而叉子的質(zhì)量主要集中在叉座。提出如下改進(jìn)方案：

方案一：在結(jié)構(gòu)允許的情況下將叉座高度由原來(lái)的173mm 變?yōu)?20mm。經(jīng)分析計(jì)算叉子質(zhì)量減輕了8.2%，最大應(yīng)力降低了6%，但最大變形增加了9.4%。變形增大的原因在于叉座高度的變化減弱了筋板的作用。為了減小變形，可以加大筋板長(zhǎng)度，但這樣會(huì)導(dǎo)致叉子承載平面面積減小。為此，在方案一的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案二。

圖3 叉子結(jié)構(gòu)位移圖

方案二：將筋板改到叉子齒下面，這樣不僅可以加大筋板長(zhǎng)度，而且筋板受力由原來(lái)的拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力，改善了筋板的受力狀況。叉子上表面去掉筋板后，在保持原叉子承載面積的情況下縮短叉齒長(zhǎng)度，由原來(lái)的800mm 減小到680mm。同時(shí)，在叉座上承力不大的位置增加工藝孔以減輕重量。

各方案的三維實(shí)體模型對(duì)比如圖4所示。方案二的受力情況大為改進(jìn)，最大變形量減少了0.011mm，重量減輕了37.6%，空載情況下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小了33.4%，大大提高了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的靈活性。

圖4 叉子結(jié)構(gòu)輕量化方案對(duì)比

2.2 提升臂結(jié)構(gòu)的靜力分析及優(yōu)化

提升臂由槽鋼和鋼板焊接組成，質(zhì)量很大，結(jié)構(gòu)懸伸大，原設(shè)計(jì)導(dǎo)軌位于提升臂后面，齒條位于提升臂左側(cè)面。將提升臂與優(yōu)化后的叉子連接在一起進(jìn)行分析，劃分網(wǎng)格后對(duì)提升臂齒條的齒面施加3個(gè)方向自由度約束，叉子上表面處承受載荷40kg，加載及約束后進(jìn)行分析計(jì)算。分析結(jié)果如圖5～圖8所示。

為了提高提升臂的靈活性，減輕質(zhì)量，做如下改進(jìn)：

方案一：將原設(shè)計(jì)中的槽鋼改為雙側(cè)鋼板。原設(shè)計(jì)中雙導(dǎo)軌位于提升臂后面，由于結(jié)構(gòu)空間所限將雙導(dǎo)軌改在右側(cè)面。

方案二：導(dǎo)軌分別在兩個(gè)側(cè)面對(duì)稱布置。

叉子在工作時(shí)會(huì)在180°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，不同位置時(shí)受力狀況不同，選取叉子兩種特殊位置進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。提升臂最大位移發(fā)生在叉子齒最外端，提升臂最大應(yīng)力發(fā)生在叉子與旋轉(zhuǎn)軸連接處。

圖5 叉子位于正面時(shí)提升臂應(yīng)力圖

圖6 叉子位于正面時(shí)提升臂位移圖

圖7 叉子位于右側(cè)面時(shí)提升臂應(yīng)力圖

圖8 叉子位于右側(cè)面時(shí)提升臂位移圖

3種方案的載荷情況相同，因此3種方案的最大應(yīng)力幾乎相同。方案一在兩個(gè)位置的最大位移相差不大，并且在質(zhì)量上相對(duì)于原設(shè)計(jì)降低了20.5%，因此采用方案一實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

表1 提升臂輕量化設(shè)計(jì)方案對(duì)比

2.3 走行梁結(jié)構(gòu)及橫行基座結(jié)構(gòu)的靜力分析及優(yōu)化

碼垛機(jī)械手走行梁由槽鋼和鋼板焊接組成，為單梁結(jié)構(gòu)，提升臂位于走行梁側(cè)面，通過(guò)導(dǎo)軌滑塊與走行梁連接，走行梁除了受到提升臂、叉子自重以及載重貨物垂直向下的應(yīng)力外，還受到提升臂等的扭矩作用。對(duì)走行梁采用Solid92的3D10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元建模并劃分網(wǎng)格，在走行梁與支撐梁導(dǎo)軌相連的滑塊接觸面處施加3個(gè)方向自由度，當(dāng)提升臂連同叉子運(yùn)行到中間位置時(shí)走行梁受力變形最大，因此選擇此位置進(jìn)行分析。

圖9、圖10為走行梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖和位移圖。走行梁的最大應(yīng)力為29.8 MPa，最大位移為0.89mm，扭轉(zhuǎn)角度為0.055 2°，最大位移處為走行梁中間位置。為減少提升臂的扭轉(zhuǎn)力矩作用導(dǎo)致的梁變形，改變走行梁結(jié)構(gòu)形式，采用雙梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌采用側(cè)面布置，如圖11所示。走行梁兩種方案對(duì)比見(jiàn)表2。

圖9 走行梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖10 走行梁結(jié)構(gòu)位移圖

圖11 走行梁新方案——雙梁結(jié)構(gòu)

表2 走行梁方案對(duì)比

由表2可知：新方案最大應(yīng)力和最大位移均與原方案幾乎相同，扭轉(zhuǎn)角度減少了43.1%，質(zhì)量比原設(shè)計(jì)減輕了20.4%，大大降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，改善了走行機(jī)構(gòu)的靈活性。

3 輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

為了驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果，將原設(shè)計(jì)與修改后的裝卸車機(jī)械手整體建模進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖12～圖15所示。原設(shè)計(jì)方案最大變形位移為18.3mm，最大應(yīng)力為134 MPa；輕量化之后最大變形位移為1.8 mm，最大應(yīng)力為99.6 MPa。因此輕量化設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖12 原設(shè)計(jì)應(yīng)力圖

圖13 原設(shè)計(jì)位移圖

圖14 新方案應(yīng)力圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)械手關(guān)鍵零部件建立有限元模型進(jìn)行分析研究，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)改進(jìn)零部件的設(shè)計(jì)，進(jìn)行多方案對(duì)比后選擇合適的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了對(duì)機(jī)械手輕量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖15 新方案位移圖

［1］ 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］ 曾攀.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］ Zienkiewicz O C，Talor R L.有限元方法第1卷：基本原理［M］.第5版.曾攀，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2008.