白酒碼垛機(jī)器人靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李江

白酒碼垛機(jī)器人靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李江

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000）

以白酒碼垛機(jī)器人為研究對(duì)象，利用SolidWorks建立了白酒碼垛機(jī)器人后臂的三維模型。采用ABAQUS軟件對(duì)自動(dòng)碼垛機(jī)器人重要部件的有限元模型進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，獲得了重要部件的應(yīng)變、應(yīng)力云圖，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)果表明：改進(jìn)后的后臂變形由0.486 4 mm降低到0.090 69 mm，優(yōu)化增加了碼垛機(jī)器人的靜剛度，滿足材料要求的應(yīng)變范圍。該分析方法對(duì)自動(dòng)碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

碼垛機(jī)器人；靜力結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析；ABAQUS

碼垛是連接白酒包裝和倉(cāng)儲(chǔ)的重要環(huán)節(jié)，在白酒的生產(chǎn)物流中有著重要的地位。碼垛機(jī)器人可以將不同外形尺寸的包裝貨物整齊地、自動(dòng)地碼在托盤上。采用碼垛機(jī)器人系統(tǒng)可以顯著地減少人工，提高生產(chǎn)效率，基本可完成48 000瓶/小時(shí)甚至60 000瓶/小時(shí)全自動(dòng)白酒包裝線碼垛要求。目前歐、美、日的碼垛機(jī)器人在碼垛市場(chǎng)的占有率超過(guò)了90%，絕大數(shù)碼垛作業(yè)由碼垛機(jī)器人完成。碼垛機(jī)器人能適應(yīng)于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業(yè)，這也是我國(guó)白酒業(yè)碼垛發(fā)展的必然選擇之一[1]。

在碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，靜力學(xué)分析是一個(gè)重要的步驟。對(duì)機(jī)器人的靜力學(xué)分析，可以使設(shè)計(jì)人員了解機(jī)器人的各部分的應(yīng)力、應(yīng)變分布[2]，從而清楚地了解設(shè)計(jì)中存在的缺陷和結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。本文借助機(jī)械仿真設(shè)計(jì)SolidWorks軟件與有限元仿真軟件ABAQUS，對(duì)白酒包裝碼垛機(jī)器人的主要構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)果對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終達(dá)到使其安全運(yùn)行的目的[3]。

1 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與材料屬性

白酒包裝自動(dòng)碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要構(gòu)件為前后臂和底座，前后臂均采用鋁合金，旋轉(zhuǎn)底座的圓盤的材料采用鋁合金，其他部分采用45#鋼[4]。材料的物理屬性如表1所示。

圖1 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

表1 鋁合金與45#鋼的物理屬性

2 后部大臂的有限元分析

2.1 后部大臂的建模

采用SolidWorks軟件建立后部大臂的三維模型，再將三維模型導(dǎo)入ABAQUS，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型采用C3D8，雅克比設(shè)置為4點(diǎn)[5]，單元尺寸為16.496 5 mm.

2.2 確定邊界條件

白酒包裝碼垛機(jī)器人后部大臂的受力情況如圖2所示，圖中F1是碼垛機(jī)器人在做整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，取F1=330 N.F2和F3是碼垛機(jī)器人通過(guò)前臂傳遞過(guò)來(lái)的力，取F2=0，F(xiàn)3=600 N.

圖2 后臂受力示意圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

應(yīng)變與最大應(yīng)力是判斷碼垛機(jī)器人能否安全運(yùn)作的重要因素，通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)碼垛機(jī)器人后臂進(jìn)行有限元靜力結(jié)構(gòu)分析，得到它在上述工況條件下的最大變形與最大應(yīng)力，分別如圖3、圖4所示。

圖3 后部大臂應(yīng)變?cè)茍D

圖4 后部大臂應(yīng)力云圖

根據(jù)后部大臂的應(yīng)變?cè)茍D可知最大變形為0.4864 mm，根據(jù)要求，后部大臂的變形應(yīng)小于0.2 mm，因此變形超出了允許范圍。鋁合金的屈服強(qiáng)度為195 MPa，抗拉強(qiáng)度175 MPa，分析結(jié)果得到三個(gè)方向的最大和最小應(yīng)力如表2所示。

表2 后臂各向應(yīng)力

安全系數(shù)取n=1.5，因此[σ]＝195/1.5=130 MPa，11.91 MPa＜11.91 MPa，因此后部大臂的結(jié)構(gòu)和材料滿足要求。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

通過(guò)ABAQUS數(shù)值模擬和結(jié)果分析表明：后臂在該工況條件下，應(yīng)變超過(guò)了允許的數(shù)值范圍，是白酒包裝碼垛機(jī)器人不能安全運(yùn)行[6]。因此，本文對(duì)碼垛機(jī)器人的后臂進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。機(jī)器人臂部在扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在薄壁處產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，分析時(shí)將薄壁看做由許多狹長(zhǎng)的矩形截面組成，再把各個(gè)截面求和。薄壁桿的最大切應(yīng)力可由下式計(jì)算：

其中Ω表示薄壁截面的中心所圍成的面積。把一個(gè)外力偶M施加到臂部的截面桿上，產(chǎn)生的切應(yīng)力為：

其中h為截面長(zhǎng)度，b為截面寬度，δ為壁厚。

為保證碼垛機(jī)器人后臂使用安全，必須增加后臂厚度，并要保證為等壁厚且截面為矩形，這樣可以減小扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，增強(qiáng)抗扭性?？紤]到碼垛機(jī)器人的受力平衡和以及運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性切應(yīng)力，所以又在后部大臂上附加一個(gè)輔助后臂，以減小慣性沖擊。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型再次導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行分析，優(yōu)化后的后部大臂應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖5、圖6所示。

圖5 后臂的優(yōu)化應(yīng)力云圖

圖6 后部大臂的優(yōu)化應(yīng)變?cè)茍D

從云圖上可以看出，優(yōu)化后，后部大臂的最大變形為0.09069 mm，在允許范圍之內(nèi)，后部大臂優(yōu)化后的三個(gè)方向的最大、最小應(yīng)力的分析結(jié)果如表3所示。

表3 后部大臂優(yōu)化后的受力情況

由表可知，后部大臂優(yōu)化后，最大應(yīng)力為2.77 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到滿足了材料強(qiáng)度要求。

3 前大臂靜力學(xué)分析

3.1 邊界條件

前大臂的受力情況如圖7所示，圖中F3是碼垛機(jī)器人在做整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，取F3＝130 N.F1和F2是碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器傳遞過(guò)來(lái)的力，取F1=260 N，F(xiàn)2=0.

圖7 前大臂受力示意圖

3.2 分析結(jié)果

前大臂采用同樣的分析方法，獲得應(yīng)變、應(yīng)力云圖，如圖8、9所示。前臂最大應(yīng)變?yōu)?.089 65 mm，在允許范圍之內(nèi)；而最大應(yīng)力為5.03 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。因此，前臂在該工況條件下能安全運(yùn)行。

圖8 前臂應(yīng)力云圖

圖9 前臂應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

運(yùn)用三維建模軟件和ABAQUS對(duì)白酒包裝自動(dòng)碼垛機(jī)器人的主要部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）在該工況條件下，前臂和底座的靜剛度均滿足材料力學(xué)性能，而后臂的變形量超出了允許的范圍量，導(dǎo)致白酒包裝自動(dòng)碼垛機(jī)器人不能安全運(yùn)行。

（2）增加后臂的壁厚，顯著提高了其靜剛度，使其最大應(yīng)變從0.486 4 mm降低到0.090 69 mm，優(yōu)化效果明顯。

（3）該分析方法對(duì)自動(dòng)碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]王玉蓉.我國(guó)啤酒碼垛及設(shè)備應(yīng)用研究[J].湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)（人文社會(huì)科學(xué)版），2010，7（7）：65-66.

[2]李倩，劉廣亮，孫潔．碼垛機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)分析與性能研究[J]．裝備制造技術(shù)，2011（1）：4-6.

[3]梅江平，曹家鑫，張新，等.采用SolidWorks的高速重載碼垛機(jī)器人的靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2012（10）：18-22.

[4]張明，何慶中，郭帥．酒箱碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析[J]．包裝工程，2013，34（1）：83-87.

[5]莊茁，由小川，廖建暉，等．基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[6]何慶中，王明超，趙獻(xiàn)丹．基于Solidworks Simulation的碼垛機(jī)械末端執(zhí)行器導(dǎo)桿靜力學(xué)分析[J]．四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，24（1）：109-112.

Static Analysis and Structural Optimization for the Liquor PalletizingRobot

LI Jiang
（Sichuan Atlantic China Welding Consumables，INC.Zigong Sichuan 643010，China）

Taking the liquor palletizing robot as the research object，and using SolidWorks to establish the threedimensional model of the rear arm of the palletizing robot.The static structural analysis of the finite element model of the important parts of the palletizing robot was carried out by using the ABAQUS.The strain and stress nephogram of the important components are obtained.According to the results，the structure is optimized.The optimization results show that the deformation of the improved rear arm is reduced from 0.4864mm to 0.09069mm，and the static stiffness of the palletizing robot is increased to meet the material requirements.The analysis method has certain guiding significance for the design and improvement of the palletizing robot.

palletizingrobot；staticstructuralanalysis；structural optimization；finite element analysis；ABAQUS

TS261.3

A

1672-545X（2017）07-0035-03

2017-04-08

李江（1964-），男，四川自貢人，學(xué)士，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造方面的研究。