基于機械手懸臂的靜力學分析

劉邦雄

摘? 要：注塑機機械手是一個相對比較復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在整個的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，機械手的主臂和副臂固定在懸臂末端上，因而懸臂結(jié)構(gòu)是整個機械手承重、受力的重要部件。文章對懸臂進行靜力學分析，通過靜力學分析得到了撓度的最大變形量，為機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考價值。

關(guān)鍵詞：機械手;懸臂;撓度;靜力學分析

中圖分類號：TQ320.5 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0074-02

Abstract： The manipulator of injection molding machine is a relatively complex mechanical structure system. In the whole mechanical structure system， the main arm and auxiliary arm of the manipulator are fixed on the end of the cantilever， so the cantilever structure is an important part of the load bearing and stress of the whole manipulator. In this paper， the static analysis of the cantilever is carried out， and the maximum deformation of the deflection is obtained through the static analysis， which provides a reference value for the design of the manipulator structure.

Keywords： manipulator; cantilever; deflection; static analysis

引言

在工業(yè)流水線工作過程當中，許多崗位依賴著工人的技能和體力，具有勞動強度大、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不好等幾大難題，因此各大制造行業(yè)紛紛引進自動化設(shè)備[1]。在橡膠注塑行業(yè)中，由于機械手安裝便捷，工作流程較為簡單的特點，注塑機機械手越來越廣泛地應(yīng)用于企業(yè)當中[2，3]。然而機械手工作時要承受一定的載荷，對其懸臂支撐的結(jié)構(gòu)會造成彎曲變形，因此應(yīng)將彎曲變形的最大位移量控制在一定范圍內(nèi)用以保證懸臂的結(jié)構(gòu)足以支撐機械手的正常運轉(zhuǎn)。

本文以工廠注塑機機械手懸臂結(jié)構(gòu)為研究對象，通過有限元仿真分析軟件對懸臂進行靜力學分析，求得最大的變移量[4-6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

對懸臂部分進行簡化，去掉一些非重要零部件，如箱體蓋、氣缸、緩沖塊、定位塊等對模型有限元分析影響不大的零件略去。簡化之后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看到，該懸臂部分由電機底板與橫行方通相連接，底板與兩根懸臂通過螺栓鉚接在一起，而后又通過封板進一步把兩根懸臂固定住。為了加固懸臂梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計出兩根光桿作為輔助支撐，確保懸臂的剛度。

2 網(wǎng)格劃分

對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)存在一些比較復(fù)雜的部位，同時三維CAD模型文件在轉(zhuǎn)換格式時，可能會出現(xiàn)信息對接存在誤差的情況，所以若不對導(dǎo)入的模型進行幾何清理，將嚴重影響網(wǎng)格質(zhì)量并影響計算的準確性，甚至會出現(xiàn)根本無法求解的情況。通過幾何清理，對模型進行檢查和修正，對模型進行多余面、抑制邊、多余節(jié)點等問題的檢查，并針對這些問題予以修正。

對模型進行幾何清理后，才能對各個部件進行網(wǎng)格的劃分。本文研究的懸臂結(jié)構(gòu)組成部件的形狀都比較規(guī)則，采用2D單元劃分，并賦予厚度值。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。模型中包含的2D網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)為39857個，四邊形單元為40594個。

3 添加材料屬性

對劃分好網(wǎng)格的懸臂部分需要賦予一定的材料屬性，由于對懸臂進行靜力分析時，各個零件所受到的變形僅為彈性形變。因此根據(jù)彈性力學的相關(guān)知識可知，僅需要賦予懸臂各零件彈性模量、泊松比和密度即可。本文中懸臂所使用的材料主要為兩種，懸臂和光桿采用鋁合金6063，電機固定座和光桿固定座采用普通碳素鋼Q235，具體的材料屬性見表1。

4 添加約束關(guān)系與載荷

完成材料屬性賦予后的懸臂需要采用多種連接方式以使懸臂結(jié)構(gòu)成統(tǒng)一的整體。零件之間的連接方式有很多種，不同連接方式的選用對模型的計算時間和計算結(jié)果的準確性具有重要的影響。大量分析計算和實驗結(jié)果表明，關(guān)鍵部位的連接位置和類型往往對計算結(jié)果的可靠性具有決定性的影響，因此在用有限元方法進行模擬時必須考慮實際情況和特點，嚴格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計時確定的連接位置和類型進行連接。本文主要采用的是螺栓連接，連接方式如圖3所示。

對添加好約束關(guān)系的有限元模型添加載荷，根據(jù)懸臂受力情況的分析，在懸臂右側(cè)端部中點位置施加一個豎直向下的軸向載荷，載荷的大小為20N，繼續(xù)對該點加載，采用間隔40N方式加載，最大載荷加至140N。

5 仿真分析

完成好上述步驟之后，選用HyperMesh中OptiStruct后處理模塊進行有限元分析，分析結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中（a）～（d）分別為載荷為

20N、60N、100N、140N狀態(tài)下的位移云圖。從圖4中可以看到，最大位移與載荷成正比關(guān)系，當最大載荷為140N時，最大的位移量為0.6823mm。

6 結(jié)束語

通過對懸臂部分的簡化，導(dǎo)入至HyperMesh中，對其進行離散化處理，然后添加約束與載荷，得到了在相應(yīng)載荷下的位移云圖。分析云圖，得知最大的位移量為0.6823mm，滿足設(shè)計要求，驗證了設(shè)計的合理性，縮短了樣機的研制周期。

參考文獻：

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