黎建，康獻民，王柱，劉青庭，王大承

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自動保管箱存取機械手立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

黎建，康獻民，王柱，劉青庭，王大承

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對某型號自動保管箱存取機械手立柱的結(jié)構(gòu)特點和受力狀況，運用有限元軟件ANSYS Workbench對其立柱進行建模及靜力學(xué)分析，并對立柱壁厚進行優(yōu)化設(shè)計，使優(yōu)化后的立柱在滿足剛度和強度的前提下質(zhì)量減輕了46.8%，研究結(jié)果對立柱的制造和提高存取機械手的工作性能具有指導(dǎo)意義.

存取機械手；有限元方法；靜力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；ANSYS Workbench

自動保管箱是現(xiàn)代銀行保管箱系統(tǒng)的一種自動存取設(shè)備[1]，存取機械手是其重要的組成部分，它按照指令在兩存儲架之間運行，并通過拉伸機構(gòu)把目標(biāo)保管內(nèi)箱存入或取出相應(yīng)的儲架. 存取機械手運行時，其主要的承載構(gòu)件立柱不僅受到載貨機構(gòu)以及保管內(nèi)箱的靜載荷，同時還受到因運行派生的動載荷，上述載荷與其質(zhì)量密切相關(guān)，并關(guān)乎機械手能否快速且穩(wěn)定地運行，故減輕立柱的重量，對于降低存取機械手的制造成本，提高存取機械手的行走速度以及平穩(wěn)性意義重大[2]83.

1 有限元模型的建立

存取機械手由底座機構(gòu)、立柱、載貨機構(gòu)以及配重機構(gòu)等構(gòu)成（如圖1所示）[3]. 立柱是存取機械手主要構(gòu)成部件，它由壁厚8 mm的方管與方鋼焊接而成，截面尺寸如圖2所示，立柱與底座通過螺栓連接起來. 本文研究對象是立柱，如果僅僅對立柱建立有限元模型，將無法正確施加約束及載荷，從而導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確. 為保證分析和優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文通過對立柱及其載貨機構(gòu)建模，且取載貨臺在立柱最上端極限位置，得到立柱的最大變形量[5].

圖1 存取機械手結(jié)構(gòu)

圖2 立柱截面尺寸/mm

圖3 立柱的的有限元分析圖

本文采用ANSYS Workbench內(nèi)含的CAE建模工具Design Modeler對立柱壁厚進行參數(shù)化建模，解決了通過其他軟件建模導(dǎo)致一些參數(shù)丟失的問題，可使結(jié)果更加準(zhǔn)確. 在對其進行有限元分析時，建立正確的有限元模型是關(guān)鍵的一步，而存取機械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便運算，需要對其進行有效的簡化處理，刪除一些對立柱強度和剛度影響不重要的零件[2]84. 根據(jù)以往有限元分析經(jīng)驗，對網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格的數(shù)量對分析結(jié)果的精度有直接的影響，網(wǎng)格數(shù)量過少時，會影響分析結(jié)果的精度，而數(shù)目過多時又大幅增加了運算時間[5]. 因此對立柱進行網(wǎng)格密分，其他零件網(wǎng)格疏分，即不影響結(jié)果精度同時又減少了計算工作量，仿真模型如圖3-a所示，網(wǎng)格劃分如圖3-b所示.

1.1 定義材料特性和單元屬性

在進行有限元分析時，材料屬性包括楊氏模量、密度和泊松比. 在進行有限元單元矩陣計算時，材料屬性作為運算參數(shù)影響分析結(jié)果. 立柱材料是Q235，其焊接性能好，市場上也較常見，價格低，根據(jù)文獻[6]的研究結(jié)果，取安全系數(shù)=3，則=s/=235/3=78.33 MPa. 按照有限元分析要求，應(yīng)定義如下材料屬性：楊氏模量2.13×105 MPa，密度7.83×103 kg/m3，泊松比0.3. 由于載貨機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料種類多，可通過對立柱的受力分析給出相應(yīng)的等效密度. 由于載貨機構(gòu)不是本文分析的重點且其材料主要也是Q235，所以其楊氏模量與泊松比按Q235材料給出，以保證分析結(jié)果的可靠性.

1.2 承載與約束處理

圖4 立柱的承載分布與約束圖

圖 5 有限元分析結(jié)果

2 立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

ANSYS Workbench中的Design Xplorer模塊是對Workbench參數(shù)分析功能的極大擴展，利用其試驗設(shè)計（DOE）和響應(yīng)面功能可獲得產(chǎn)品性能與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，也提供了SDPD仿真驅(qū)動設(shè)計所需要的所有信息，可實現(xiàn)對零件及其組合件最優(yōu)化的設(shè)計[7]. ANSYS Design Explorer[8]248~249分析結(jié)果與定義參數(shù)可以通過響應(yīng)圖表方式顯示.

根據(jù)設(shè)計要求，立柱的最大變形不能超過0.2 mm，最大的應(yīng)力不能超過79.33 MPa，在強度和剛度滿足條件的情況下，對立柱進行輕量化設(shè)計. 根據(jù)存取機械手的結(jié)構(gòu)，只對立柱壁厚進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中，首先對立柱壁厚進行參數(shù)化建模，此時立柱壁厚為定義參數(shù). 然后定義立柱整體最大變形以及立柱整體最大等效應(yīng)力為分析結(jié)果. 最后啟動DOE分析，定義輸入?yún)?shù)數(shù)值的范圍，輸出參數(shù)根據(jù)輸入數(shù)值進行相應(yīng)的求解. 為了達到本文研究目的，定義輸入?yún)?shù)范圍為3～8 mm（方管GB/T6728），得到的響應(yīng)圖表如表1所示.

表1 立柱結(jié)構(gòu)分析的響應(yīng)圖表

分析響應(yīng)圖表可知，原立柱壁厚為8 mm，遠遠滿足最大變形不超過0.2 mm和最大的應(yīng)力不超過79.33 MPa的要求；當(dāng)壁厚為4 mm時，立柱最大變形為0.189 95 mm，等效應(yīng)力的最大值為4.084 40 MPa，同樣滿足要求；而當(dāng)立柱壁厚為3 mm時，立柱整體最大變形為0.222 70 mm（大于0.2 mm），不符合設(shè)計要求. 即立柱壁厚4 mm為滿足剛度和強度要求的最輕的立柱.

3 結(jié)論

本文通過ANSYS Workbench 內(nèi)含的CAE建模工具Design Modeler對立柱壁厚進行參數(shù)化建模，解決了其他軟件建模導(dǎo)致一些參數(shù)丟失的問題，使結(jié)果更加準(zhǔn)確. 對立柱結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)分析分別得到它們的變形云圖和應(yīng)力云圖，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到比較合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，當(dāng)立柱壁厚為4 mm時，既滿足了最大變形不能超過0.2 mm和最大的應(yīng)力不能超過79.33 MPa的情況，又使得立柱的質(zhì)量減輕了46.8 %，從而降低了制造成本，有效提高了存取機械手行走的速度和穩(wěn)定性，延長了其使用壽命.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Optimization Design of the Access Manipulator’s Column ofAutomatic Deposit Box

LIJian, KANGXian–min, WANGZhu, LIUQing–ting, WANGDa–cheng

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Aiming at the structure characteristics and stress conditions of access manipulator’s column of the certain automatic deposit box, the access manipulator’s column is modeled and statics analyzed by ANSYS Workbench. The wall thickness of column is optimized that makes the weight reduced 46.8% by ensuring the rigidity and the required strength of column. The stability, work performance and service life of access manipulator are all improved.

access manipulator; finite element method; statics analysis; structure optimization; ANSYS Workbench

1006-7302（2013）01-0055-04

TH122

A

2012-10-15

廣東省教育廳科研平臺資助項目（GCZX-A1008）

黎建（1988—），男，湖南耒陽人，在讀碩士生，主要從事自動化設(shè)備設(shè)計及其仿真研究；王大承，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能控制與測試、特種加工及摩托車設(shè)計的研究.