四軸沖壓工業(yè)機(jī)器人建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)

于　華，朱鑫祥

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖　241000；2.安徽華東光電技術(shù)研究所， 安徽 蕪湖　241000)

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的多關(guān)節(jié)操作臂或多自由度機(jī)械手，是現(xiàn)代制造業(yè)中重要的自動(dòng)化裝備[1]。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)形式多變，工作過程中承受載荷較大，在高頻率、高速的運(yùn)行過程中受到扭轉(zhuǎn)、彎曲和慣性沖擊等多種工況的作用，其固有頻率、結(jié)構(gòu)剛度及本體質(zhì)量對(duì)整體的振動(dòng)、穩(wěn)定性、工作精度、噪聲、響應(yīng)速度等具有重要的意義，因此對(duì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化顯得尤為重要[2]。在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用的優(yōu)化方法為形狀優(yōu)化[3-5]、尺寸優(yōu)化[6-8]和拓?fù)鋬?yōu)化[9-10]，這些方法較好地完成了機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了機(jī)器人的性能。

本文以自主設(shè)計(jì)研發(fā)的四軸沖壓工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，首先運(yùn)用三維軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，對(duì)機(jī)器人小臂和大臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　四軸沖壓工業(yè)機(jī)器人工作原理及建模

本文研發(fā)的沖壓工業(yè)機(jī)器人主要面向小型沖床上下料，該沖壓工業(yè)機(jī)器人具有4個(gè)自由度。其中，大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)+減速器傳動(dòng)方式；大臂的上下鉛垂運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)+聯(lián)軸器+滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)方式；小臂的伸縮運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)+聯(lián)軸器+滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)方式；小臂末端手爪水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)+減速器+同步帶傳動(dòng)方式。四軸可聯(lián)動(dòng)，使手爪處于運(yùn)動(dòng)空間的任何位置。

1.1　伺服電機(jī)三維模型

圖1是伺服電機(jī)三維模型。該伺服電機(jī)和聯(lián)軸器加上滾珠絲杠螺母構(gòu)成了小臂伸縮運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，同時(shí)也為小臂末端的手爪運(yùn)動(dòng)提供了平面內(nèi)的動(dòng)力支持。

1.2　Z軸轉(zhuǎn)盤連接器建模

Z軸的運(yùn)動(dòng)對(duì)于四軸沖壓機(jī)器人來說，是非常重要的，圖2所示的連接器是經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的，主要對(duì)轉(zhuǎn)盤連接口的內(nèi)徑和螺孔大小進(jìn)行了調(diào)整，目的是為了保證Z軸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖1　伺服電機(jī)三維模型

1.3　小臂建模

圖3所示的是小臂裝配體，是整個(gè)沖壓機(jī)器人的動(dòng)作直接執(zhí)行構(gòu)件，主要的運(yùn)動(dòng)形式和工作載荷都會(huì)在小臂上完全體現(xiàn)。

1.4　手爪建模

圖4所示的是手爪模型，安裝在圖3所示的小臂的末端(最右端)，所需要上料至沖床上的物體會(huì)直接由手爪來承載其重量。手爪的強(qiáng)度要求較高，目的是為了保證該機(jī)器人具有較為廣泛的加工適用范圍。

圖3　小臂裝配圖

1.5　大臂建模

圖5所示為大臂裝配完成后的模型，大臂與小臂組合后，構(gòu)成了機(jī)器人的工作機(jī)構(gòu)。

圖6中的模型是大臂與小臂組合裝配完成后的結(jié)構(gòu)，將其安裝在滑軌上，保證了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)也滿足了加工需求。

圖5　大臂裝配示意圖

圖6　大臂與小臂組合裝配示意圖

1.6　沖壓工業(yè)機(jī)器人裝配模型

圖7　機(jī)器人總體裝配模型示意圖

圖7中所示為本文所研究的四軸沖壓機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及大臂在Z方向上的上下運(yùn)動(dòng)加上小臂相對(duì)于大臂的滑動(dòng)，可以保證機(jī)器人的手爪到達(dá)工作空間的任何位置，這就為沖床上下料提供了很大的生產(chǎn)空間，同時(shí)通過手爪的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整工件位姿，以便于工件在沖床模具中的定位。

2　四軸機(jī)器人關(guān)鍵部件有限元分析

2.1　小臂有限元分析

小臂采用伺服電機(jī)+聯(lián)軸器+滾珠絲杠螺母的傳動(dòng)方式進(jìn)行工作，小臂主運(yùn)動(dòng)為水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)。小臂末端帶有手爪，手爪可以在水平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂末端的手爪是采用了伺服電機(jī)+減速器+同步帶傳動(dòng)的方式進(jìn)行工作。小臂材料為鋁合金，小臂組裝在大臂上后，在小臂末端所能夠承受的最大工作力約98 N。

圖8為進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后所建立的有限元分析模型。采用ANSYS workbench自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式，獲得了292 869個(gè)單元，共計(jì)有476 501個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格平均質(zhì)量達(dá)到了75%，符合進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算的要求。

圖9所示為小臂轉(zhuǎn)軸端裝手爪處的總變形云圖，從圖中可以看到，在承受最大的工作載荷情況下，小臂末端轉(zhuǎn)軸安裝手爪處的最大總變形為0.001 640 3 mm，此處的豎直方向變形云圖可以在圖10中看到。

圖8　小臂有限元模型

從圖10中可以清晰地看到，小臂大部分的結(jié)構(gòu)在豎直方向上的位移都處在最大值的范圍中，豎直方向小臂的最大變形量為2.471 4×10-6mm。在小臂與大臂進(jìn)行組裝后，小臂在豎直方向上整體位移較大的情況會(huì)有良好的改善。

隨著團(tuán)場(chǎng)小城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，母親居住了幾十年的平房被拆除了，搬遷進(jìn)了團(tuán)里安排的廉租房。廉租房在二樓，面積不大，也就60多個(gè)平方，很多東西都被母親扔掉了，但是那臺(tái)老舊的飛人牌縫紉機(jī)，卻被母親搬到樓房上，放在了陽臺(tái)上光線最充足的地方。

圖11和圖12分別為小臂應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。從圖11中可以看出，小臂機(jī)械手爪安裝部位的應(yīng)力情況，以轉(zhuǎn)軸為中心，兩側(cè)及中心部位應(yīng)力較大，但都沒有達(dá)到最大值，基本維持在0.9 MPa以下的水平，故在轉(zhuǎn)軸及機(jī)械手爪正常安裝的情況下，會(huì)獲得一個(gè)更加良好的工況，所以，可以判斷小臂的工藝水平符合工作要求。

圖10　小臂豎直方向變形云圖

圖12　小臂應(yīng)變?cè)茍D

通過觀察圖12中的應(yīng)變?cè)茍D可以看出，小臂的末端安裝機(jī)械手爪處會(huì)產(chǎn)生較小的變形量，變形量的值為1.113×10-5mm。整個(gè)小臂，除去安裝機(jī)械手爪的部位，其余位置發(fā)生的變形都非常小，由于當(dāng)前模擬的是最差的工作情況，所以實(shí)際工作時(shí)，小臂會(huì)處于一個(gè)正常的工作水平。

綜合圖11和圖12可以看出，整個(gè)小臂的工作力主要集中在機(jī)械手爪安裝處的末端，因此其余應(yīng)變及應(yīng)力較小的位置可以在今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進(jìn)行改進(jìn)。

在實(shí)際工作情況下，小臂大部分時(shí)間處于空置轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，受力情況肯定要比模擬情況更加良好，所以通過以上分析可以得知，小臂變形量符合生產(chǎn)要求。

2.2　大臂有限元分析

經(jīng)相關(guān)計(jì)算可得，驅(qū)動(dòng)大臂的最大扭矩為14.37 N·m，以順時(shí)針方向作用于大臂的2個(gè)側(cè)面。

圖13所示為簡(jiǎn)化后的大臂有限元模型，網(wǎng)格尺寸大小為20 mm，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方式進(jìn)行劃分，對(duì)于大臂的有限元模型，共獲得了185 497個(gè)網(wǎng)格，共計(jì)387 189個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格平均質(zhì)量均在75%以上，符合實(shí)際要求。

圖14和圖15所示分別為大臂應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。從圖14中可以看到，大臂最大應(yīng)力為1.244 MPa，出現(xiàn)于大臂固定在軌道底面與大臂側(cè)面相交處的4個(gè)角的位置；從圖15中可以看到，大臂除底面與側(cè)面相交處之外，均受力較小，所以可以考慮通過去除材料或者優(yōu)化尺寸的方式對(duì)大臂整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖13　簡(jiǎn)化后的大臂有限元模型

從圖15中可以看出，大臂在仿真所模擬的最為不利的工作條件下的最大變形量為3.362 7×10-5mm。

大臂的總變形云圖如圖16所示。從圖16中可以看出，大臂頂端與小臂連接面處發(fā)生的變形最大，這是大臂與小臂裝配時(shí)所需要注意的位置，同時(shí)此處也是大臂可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的地方。

2.3　大臂的拓?fù)鋬?yōu)化分析

通過前面的分析可以得知，大臂在整個(gè)工作機(jī)構(gòu)(小臂與大臂的組裝體)中具有很大的優(yōu)化空間，因此采用ANSYS workbench中的shape optimization模塊對(duì)大臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

將簡(jiǎn)化后的大臂模型導(dǎo)入到優(yōu)化模塊中進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置以優(yōu)化30%的體積為目標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算，可以得到圖17所示的優(yōu)化結(jié)果。其中深紅色部分為需要去除材料部分。圖18和圖19所示分別為移除材料云圖和大臂移除材料后的效果圖。

圖17　大臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

從圖18中可以很清晰地看到，需要移除的材料主要集中在大臂與小臂接觸的一端和大臂與立柱接觸的一端。

從圖19中可以看出，在進(jìn)行新的大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可以將大臂頂部?jī)啥诉M(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，經(jīng)過最后的計(jì)算可以得到，大臂原始質(zhì)量為1 567.2 g，優(yōu)化后的質(zhì)量為1 488.5 g。通過這種優(yōu)化設(shè)計(jì)既可以減輕大臂的質(zhì)量，又可以控制構(gòu)件材料的成本。

圖18　移除材料云圖

圖19　大臂移除材料后的效果圖

3　結(jié)束語

通過對(duì)四軸沖壓機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維建模，并將其模型導(dǎo)入ANSYS內(nèi)進(jìn)行有限元分析，確保載荷最大狀態(tài)時(shí)機(jī)器人工作的安全性，以驗(yàn)證機(jī)器人整體設(shè)計(jì)的正確性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)也為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

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