基于ANSYS Workbench的碼垛機(jī)器人大臂靜力學(xué)分析

王智森，胡 陽

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

碼垛簡單來說就是按照一定的排列形式，把袋子或箱子等物品擺放整齊。近年來我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，其中碼垛機(jī)器人在各行業(yè)中的應(yīng)用尤為顯著[1]。傳統(tǒng)的碼垛是在人工操作下完成的，碼垛機(jī)器人的誕生解決了人工操作費(fèi)時(shí)、低效的問題[2]。碼垛機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、占地面積小、適用性強(qiáng)、能耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于制造、裝配、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)等批量生產(chǎn)場合[3]。

國外碼垛機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用推廣以美國、瑞典、德國、日本等為代表，主體結(jié)構(gòu)材料大都使用輕質(zhì)優(yōu)良的鑄造鋁合金，具有較好的機(jī)械性能和抗震能力；國內(nèi)碼垛機(jī)器人技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代，類型有直角坐標(biāo)型、鉸接式等，近年來多家產(chǎn)業(yè)基地應(yīng)用國產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品，提高了鉸接式碼垛機(jī)器人的市場競爭力并促進(jìn)其工業(yè)化發(fā)展[4]。國內(nèi)學(xué)者做了大量相關(guān)研究，如王哲哲等[5]借助SolidWorks設(shè)計(jì)了一種串并混聯(lián)式碼垛機(jī)器人，分別借助Adams和ANSYS進(jìn)行主桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及可靠性；吳剛[6]借助MATLAB對(duì)高速重載碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化；王紅州等[7]借助ANSYS對(duì)混聯(lián)碼垛機(jī)器人主要部件進(jìn)行了受力分析并制造樣機(jī)驗(yàn)證；李淵龍[8]借助SolidWorks、Adams和MATLAB對(duì)關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，制造樣機(jī)并測試了其工作性能。大臂作為碼垛機(jī)器人的關(guān)鍵零部件之一，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)慣性影響著碼垛機(jī)器人工作過程中的控制精度。本研究以某型四自由度碼垛機(jī)器人為對(duì)象，基于性能參數(shù)利用UG和ANSYS Workbench軟件設(shè)計(jì)大臂結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

1 碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 碼垛機(jī)器人性能參數(shù)

碼垛機(jī)器人常見的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有3種類型：氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。相比前兩種，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、啟動(dòng)時(shí)間短、控制精度高、無累積誤差、維修方便、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜的工況環(huán)境[9]。某型四自由度碼垛機(jī)器人的工作性能參數(shù)如表1所示。

表1 某型四自由度碼垛機(jī)器人性能參數(shù)Tab.1 Performance parameter of a 4-DOF palletizing robot

碼垛機(jī)器人的工作原理是通過4個(gè)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，具有4個(gè)自由度，分別是大臂擺動(dòng)、小臂擺動(dòng)、腰部旋轉(zhuǎn)及腕部旋轉(zhuǎn)[10]。大臂舵機(jī)和小臂舵機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)連桿相連，舵盤與轉(zhuǎn)向器結(jié)合，傳遞了舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。碼垛機(jī)器人可以固定在底座上，腰部軸承和舵機(jī)組合在一起以實(shí)現(xiàn)自身的旋轉(zhuǎn)。碼垛機(jī)器人的大臂由腰部和底座連接一體形成支撐，并且大臂可以在與舵機(jī)一起擺動(dòng)的同時(shí)隨腰部擺動(dòng)。碼垛機(jī)器人的小臂由大臂主體的上關(guān)節(jié)支撐，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)小臂連桿，小臂連桿驅(qū)動(dòng)碼垛機(jī)器人的小臂完成小臂俯仰運(yùn)動(dòng)。碼垛機(jī)器人腕部處于小臂主體前端，由腕部舵機(jī)驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)物體并實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.2 碼垛機(jī)器人三維建模

大臂、小臂和末端的自重都是靠碼垛機(jī)器人底座來承載的。底座負(fù)責(zé)整個(gè)承載機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)并且能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整碼垛機(jī)器人機(jī)械臂的工作位置。作為承載機(jī)構(gòu)，必須具備可靠的穩(wěn)定性，用來處理工作過程中可能發(fā)生的負(fù)載突變情況，同時(shí)配置一整套適配驅(qū)動(dòng)器輸出組件以滿足系統(tǒng)控制要求。根據(jù)某型四自由度碼垛機(jī)器人底座部件的實(shí)際尺寸，通過UG軟件構(gòu)建了簡化的底座三維模型，如圖1所示。

圖1 底座三維模型Fig.1 Three-dimensional model of base

碼垛機(jī)器人的腰部是連接底座和手臂并支撐整個(gè)臂部質(zhì)量的重要部分，而腰部舵機(jī)則驅(qū)動(dòng)整個(gè)碼垛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。碼垛機(jī)器人的腕部連接抓取機(jī)構(gòu)，需要完成腰部、臂部等的動(dòng)力傳遞，同時(shí)控制微調(diào)手柄的姿勢，保證碼垛機(jī)器人能夠精確操作。抓握機(jī)構(gòu)可以相對(duì)于被運(yùn)輸?shù)呢浳镞m當(dāng)定位，有利于提高抓握精度和強(qiáng)度。

根據(jù)某型四自由度碼垛機(jī)器人各零部件的實(shí)際尺寸，通過UG軟件構(gòu)建簡化的碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)三維模型，如圖2所示。碼垛機(jī)器人整體由旋轉(zhuǎn)軸來控制運(yùn)動(dòng)，底座通過旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)處均通過旋轉(zhuǎn)軸連接。將各零部件進(jìn)行裝配并添加約束，模擬碼垛機(jī)器人機(jī)械臂的工作過程。

圖2 碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.2 Overall three-dimensional model of palletizing robot

1.3 大臂結(jié)構(gòu)特征

碼垛機(jī)器人的臂部設(shè)計(jì)要求考慮以下5點(diǎn)：增大臂部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免臂部尺寸較大時(shí)結(jié)構(gòu)剛度不足發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致無法精確執(zhí)行裝載拆卸操作；臂部質(zhì)量滿足輕量化設(shè)計(jì)，避免工作過程中產(chǎn)生較大慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)定位不穩(wěn)定；避免潛在的組件干擾及零部件間的相互碰撞風(fēng)險(xiǎn)；方便拆裝，針對(duì)易損機(jī)構(gòu)需要考慮方便維護(hù)和更換損壞的零件；環(huán)境適應(yīng)性好，能夠滿足多工況使用要求。

碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂(圖3)主要由臂部和輔助臂組成，通過旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保證各部分關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動(dòng)，其中輔助臂起到緩沖減震的作用。腕部通過小臂和輔助小臂裝配形成活動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)小臂通過末端的2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與大臂、輔助大臂裝配。大臂、輔助大臂、三腳架及平衡臂通過4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)裝配連接形成一個(gè)平行四邊形并固定在腰部，與此同時(shí)輔助小臂、腕部、小臂和三腳架也形成另一個(gè)平行四邊形。2個(gè)平行四邊形的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)能夠保證腕部的中心軸始終與底座平面垂直。在整個(gè)臂部受力結(jié)構(gòu)中，大臂作為機(jī)械臂的關(guān)鍵部件，承載能力要求最高。

圖3 碼垛機(jī)器人機(jī)械臂組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Composition structure of palletizing robot mechanical arm

2 碼垛機(jī)器人關(guān)鍵部件有限元分析

2.1 關(guān)鍵部件受力分析

大臂、腕部及小臂均是碼垛機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，工作過程中腕部大約承受300 kg的載荷，同時(shí)將載荷合理傳遞到大臂、小臂和其他零部件上。碼垛機(jī)器人機(jī)械臂的大臂、腕部、小臂質(zhì)量分別為100 kg、40 kg、60 kg。

當(dāng)碼垛機(jī)器人機(jī)械臂在負(fù)載情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，腕部要承受約300 kg的載荷。首先對(duì)腕部進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 腕部受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of wrist

(1)

將載荷參數(shù)、腕部質(zhì)量參數(shù)及各點(diǎn)作用力臂參數(shù)代入方程組(1)，聯(lián)立求解得到腕部連接處受到的作用力和作用力矩：F1y=2 812 N，M2=253 N·m。當(dāng)小臂處于水平狀態(tài)且大臂處于豎直狀態(tài)時(shí)，大臂和小臂產(chǎn)生的變形量最大。選擇此時(shí)刻位置分別對(duì)小臂、大臂進(jìn)行受力分析，由于計(jì)算量較大，小臂受力分析過程在此省略。為了方便列出作用力和作用力矩平衡方程，將大臂受力分析圖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置，得到大臂結(jié)構(gòu)的受力分析圖(圖5)。其中，c3為大臂的質(zhì)心。根據(jù)空間力系平衡方程列出大臂受力的方程組：

圖5 大臂受力分析圖Fig.5 Stress analysis diagram of large arm

(2)

2.2 大臂靜力學(xué)仿真分析

根據(jù)計(jì)算得到的大臂受力分析值對(duì)大臂進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。在四自由度碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)中，大臂是支承和抗彎扭的關(guān)鍵零部件之一。為了避免工作過程中機(jī)械臂大臂出現(xiàn)斷裂、疲勞裂紋及支承面被壓潰的情況，對(duì)大臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，求出最大應(yīng)力值及最大變形量等進(jìn)行校核。

ANSYS軟件是一款計(jì)算應(yīng)力場等的大型工程仿真分析軟件，支持與大部分計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如UG、Pro/E及SolidWorks等共享和交換數(shù)據(jù)，可提供近百種單元類型，能夠仿真模擬出不同種類的結(jié)構(gòu)受力情況。將大臂三維模型另存為IGS格式的文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行數(shù)值求解和仿真分析。在ANSYS Workbench 15.0界面的“Project Schematic”窗口中單擊“Engineering Data”選項(xiàng)，彈出定義懸臂材料特性對(duì)話框，定義大臂材料屬性：大臂材料為45#，屈服強(qiáng)度為335 MPa，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，泊松比為0.269，彈性模量為209 GPa，密度為7 890 kg/m3。在“Mechanical”窗格的樹形目錄中單擊“Mesh”分支，激活網(wǎng)格尺寸，劃分“Sizing”命令。在“Sizing”的屬性窗格中選擇整個(gè)懸臂實(shí)體，“Scope”分支下的“Geometry”顯示為1 Body；對(duì)大臂三維模型進(jìn)行簡化處理，在主體尺寸不變情況下忽略邊圓角細(xì)小特征，以長度為10 mm的單元對(duì)大臂劃分網(wǎng)格(圖6)。

圖6 大臂的網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing of large arm

對(duì)劃分完網(wǎng)格的大臂施加載荷邊界條件，分別對(duì)大臂與小臂、腰部連接旋轉(zhuǎn)軸中心處施加2.1節(jié)中計(jì)算得到的作用力和作用力矩，單擊“Environment”工具欄屬性窗格“Definition”分支下的“Direction”設(shè)置作用力和作用力矩方向。在“Mechanical”窗格的樹形目錄中單擊“Solution”分支，單擊“Solution”工具欄中“Stress”的“Equivalent”命令，添加“Equivalent Stress”結(jié)果；單擊“Solution”工具欄中“Deformation”的“Total”命令，添加“Total Deformation”結(jié)果。單擊工具欄內(nèi)的“Solve”命令，對(duì)大臂靜力學(xué)模型進(jìn)行求解，得到大臂的應(yīng)力云圖(圖7)和應(yīng)變云圖(圖8)。由圖7可知，大臂結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為23.972 MPa，最大應(yīng)力位置在大臂與小臂及三腳架的連接部位；由圖8可知，大臂最大等效應(yīng)變?yōu)?.035 85 mm，大臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變值較小。仿真分析結(jié)果表明：大臂受載條件下最大應(yīng)力值為23.972 MPa，在結(jié)構(gòu)鋼材料的屈服強(qiáng)度值安全范圍(335 MPa)內(nèi)，最大變形量為0.035 85 mm，位移幅度較小，剛性較強(qiáng)，能夠保證碼垛機(jī)器人機(jī)械臂在工作過程中正常碼垛作業(yè)。

圖7 大臂應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud chart of large arm

圖8 大臂應(yīng)變云圖Fig.8 Strain cloud chart of large arm

3 結(jié)語

本研究以某型四自由度碼垛機(jī)器人為例，運(yùn)用UG和ANSYS Workbench軟件進(jìn)行了碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大臂靜力學(xué)仿真分析。大臂作為碼垛機(jī)器人機(jī)械臂的關(guān)鍵零部件之一，對(duì)其兩端連接處分別進(jìn)行受力分析，得到大臂與小臂連接處的作用力為2 415 N，大臂與腰部連接處的作用力為3 415 N。對(duì)大臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到大臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為23.972 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.035 85 mm，說明在受載條件下大臂不會(huì)出現(xiàn)斷裂及彎曲變形現(xiàn)象。