劉文波， 遠(yuǎn)桂方

（1.沈陽理工大學(xué)，沈陽110168；2.沈陽工學(xué)院 機(jī)器人研究所，遼寧 撫順113122）

0 引言

堆垛機(jī)器人是伴隨著自動化立體倉庫而興起的專業(yè)起重設(shè)備，一般被人們稱為堆垛機(jī)或者堆垛機(jī)器人。它是自動化立體倉庫的核心設(shè)備之一，是主要的貨物存取設(shè)備。隨著計算機(jī)控制技術(shù)和物流倉儲技術(shù)的發(fā)展，堆垛機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)性能越來越好，同時為了滿足大型立體化倉庫的要求，其整體高度不停地攀升，基于特殊產(chǎn)品存儲，堆垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計在某些方面需要改進(jìn)。如針對某油田鉆井油泵管類產(chǎn)品存儲。直徑60～150 mm，厚度10 mm，長度3～12 m不等管類產(chǎn)品的存儲，需要設(shè)計特殊抓取裝置機(jī)械手進(jìn)行抓取，為了滿足抓取穩(wěn)定性要求，需要保證整體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，特別是機(jī)械手部分強(qiáng)度可靠，對機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，強(qiáng)度分析，滿足異型堆垛機(jī)器人的高效穩(wěn)定存儲。

1 異型堆垛機(jī)器人概述

堆垛機(jī)器人一般由金屬結(jié)構(gòu)（包括雙立柱、上橫梁、下橫梁）水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮臂機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)和電器控制柜等各大部分組成，雙立柱堆垛機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

水平行走機(jī)構(gòu)裝在機(jī)架雙下橫梁上，使堆垛機(jī)沿水平方向在巷道中進(jìn)出運(yùn)動；起升機(jī)構(gòu)置于雙立柱內(nèi)，伸縮臂沿雙立柱的導(dǎo)軌上下移動；兩伸縮臂在起升機(jī)構(gòu)作用下分別沿雙立柱同步移動；使伸縮臂能停留在指令所指層；伸縮臂由二級伸縮機(jī)構(gòu)組成，二級桿伸展到最大行程處停止，機(jī)械手腕部機(jī)構(gòu)在二級桿上進(jìn)行尋址定位，進(jìn)而完成抓?。ù娣牛﹦幼鳌?/p>

堆垛機(jī)器人金屬機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)器人的主要承載部分，主要由雙立柱、上橫梁、兩個下橫梁和旋轉(zhuǎn)臺等部件承載。堆垛機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。整個機(jī)構(gòu)原理：水平運(yùn)行由四輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，2個主動輪、2個從動輪置于下橫梁，橫梁端部設(shè)有緩沖器；兩橫梁上裝有旋轉(zhuǎn)平臺，旋轉(zhuǎn)平臺上有兩立柱，兩立柱上有上橫梁和起升機(jī)構(gòu)，上平臺及以上部分機(jī)構(gòu)可相對下平臺做0°～360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；旋轉(zhuǎn)平臺上有兩立柱及起升機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)；機(jī)械手隨伸縮臂沿兩立柱上下移動，機(jī)械手又可以沿伸縮臂移動；上橫梁安裝滑輪或鏈輪機(jī)構(gòu)、上水平導(dǎo)輪、電纜拖掛機(jī)構(gòu)或者滑觸線供電裝置、平衡機(jī)構(gòu)導(dǎo)輪等部件。

圖2 堆垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖

2 堆垛機(jī)器人的整體控制

控制系統(tǒng)是堆垛機(jī)的重要組成部分，堆垛機(jī)需要在自動化立體庫中穿梭并完成存取貨的功能，必須具備水平行走、垂直提升、旋轉(zhuǎn)、伸縮臂伸縮和抓?。ǚ潘桑?個自由度，并且具備較好的速度控制和準(zhǔn)確的定位功能。

該堆垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要有上位機(jī)、觸摸屏、PLC可編程控制器、水平行走控制系統(tǒng)、垂直提升控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、伸縮臂伸縮控制系統(tǒng)、機(jī)械手控制系統(tǒng)、層認(rèn)址系統(tǒng)、列認(rèn)址系統(tǒng)、貨格認(rèn)址系統(tǒng)、貨物檢測系統(tǒng)和極限保護(hù)系統(tǒng)等組成。由于實(shí)際要求堆垛機(jī)具備手動控制、半自動控制及計算機(jī)控制三種控制方式。其水平行走最高速度為30 m/min，垂直提升最高速度為10 m/min，最高速度為10 m/min的情況下達(dá)到±3 mm定位精度。兼顧低成本高效率的原則，確定水平行走控制選擇伺服驅(qū)動器＋伺服電機(jī)控制模式，垂直提升、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向、伸縮臂伸縮和機(jī)械手抓取系統(tǒng)選擇變頻器＋三相異步電動機(jī)控制模式，該堆垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

機(jī)械手結(jié)構(gòu)滑板軌道是主要的承受重力部件之一，機(jī)械手滑板軌道結(jié)構(gòu)圖如圖4、橫截面如圖5。

機(jī)械手部分受力主要是支撐板（滑軌）滑軌受力，在機(jī)械抓達(dá)到最大行程處，滑軌受重力分別為F1和F2，機(jī)械手腕的支撐力F，如圖4所示。機(jī)械手滑軌危險截面在中心處，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析檢驗(yàn)其極限強(qiáng)度是否滿足要求。最大油管長12 m，壁厚10 mm，直徑160 mm，其重力為420 kg，機(jī)械手上有伺服電機(jī)5 kg，M=450 kg。

整個機(jī)構(gòu)相當(dāng)于簡支梁機(jī)構(gòu)，可以畫出立柱的彎矩圖和剪力圖。

F1引起的彎矩圖和剪力圖見圖6，計算得：M1max=-146081.25 N·mm，Q1max=-551.25 N。

由F引起的彎矩圖和剪力圖見圖7，計算得：Mmax=165375 N·mm，Qmax=1102.5 N。

圖4

圖5

F2引起的彎矩圖和剪力圖見圖8，計算得M2max=-41343.75N·mm，Q2max=-551.25 N。

滑軌受力的合成彎矩圖和合成剪力圖如圖9所示。從圖中可以看出滑軌中心點(diǎn)C處為危險界面Mmax=63393.75 N·mm，F(xiàn)max=551.25 N。

圖6 滑軌上F 1及其彎矩圖和剪力圖

單個機(jī)械手整個滑軌結(jié)構(gòu)有2個工型梁承受支承受力，每個工型梁在C點(diǎn)是危險截面。材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼20Cr。應(yīng)該驗(yàn)算是否滿足強(qiáng)度要求。截面C處剪力 Qcmax=551.25 N，Mcmax=63393.75 N·mm。其橫截面如圖10，截面可分為3 個部分 A1、A2、A3，計算其慣性矩 Iz1、Iz2、Iz3。

圖7 滑軌上F及其彎矩圖和剪力圖

3個截面的面積A1=225 mm2，A2=600 mm2，A3=225 mm2。

根據(jù)平衡移軸公式，3個截面對中心軸的慣性矩計算分別為：

其中 Iz1′、Iz2′、Iz3′、分別為3 個截面對各自形心軸的慣性矩，將三截面對中性軸Z的慣性矩相加，得：Iz=Iz1+Iz2+Iz3=3.0875×105mm4。

圖8 滑軌上F 2及其彎矩圖和剪力圖

計算整個截面上半部分的靜矩S，得到兩個截面上半部分靜矩分別為：SA1=2671.875 mm3，SA2=3000 mm3。

截面的最大彎矩Mmax=63.394×103N·m，Qmax=G/8=551.25 N。

前面計算已得到Iz=3.0875×105mm4，則抗彎截面系數(shù)w=Iz/e2=1.235 ×104mm3，Iz/S=54.435 mm。

圖9 滑軌總的受力及其合成彎矩圖和剪力圖

以下進(jìn)行強(qiáng)度校核計算：

1）校核正應(yīng)力強(qiáng)度。

材料的許用應(yīng)力：［σ］=σs/ns=540 MPa÷5=108MPa，

圖10 直軌截面圖

材料的強(qiáng)度滿足條件：σmax<［σ］。

2）校核剪應(yīng)力強(qiáng)度。

選 σs=235 MPa，而許用應(yīng)力［τ］=235÷5=47 MPa，則 τmax<［τ］，滿足強(qiáng)度條件。

4 結(jié)論

本文對異型堆垛機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械手直軌做了靜力學(xué)分析，滿足力學(xué)要求，針對油田油泵類產(chǎn)品的自動化存儲，設(shè)計出的新型堆垛機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)論證，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計論證，可滿足有泵類產(chǎn)品的自動化、智能化存儲要求。