邊弘曄，李學(xué)威，管莉娜，馬 壯

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

機(jī)床上下料作為專用機(jī)器人，是智能工廠的重要組成部分，其極大的提高了勞動(dòng)效率、降低了勞動(dòng)力成本。機(jī)床上下料機(jī)器人在正常工作中負(fù)荷較高，一旦機(jī)器人本體發(fā)生較大變形，將破壞工件的安裝精度，同時(shí)由于其自身較大的動(dòng)能可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)上下料機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析，以便找到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的薄弱點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支持[1～4]。

Solidworks是應(yīng)用最為廣泛的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件之一，其內(nèi)置的Solidworks Simulation插件可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的無縫聯(lián)接，相比于專業(yè)的有限元軟件，其操作更為簡(jiǎn)單，在滿足基本力學(xué)分析需求的同時(shí)也為企業(yè)降低一大筆軟件費(fèi)用[5～7]。

1 上下料機(jī)器人的三維實(shí)體模型的建立

圖1為上下料機(jī)器人及其工作環(huán)境示意圖，主要由機(jī)器人、上料臺(tái)、機(jī)床3個(gè)部分組成。利用Solidworks創(chuàng)建了上下料機(jī)器人的三維CAD模型，如圖2所示，上下料機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了雙平行四連桿的方式。

2 上下料機(jī)器人有限元模型的建立

2.1 幾何模型簡(jiǎn)化及參數(shù)配置

圖1 上下料機(jī)器人工作環(huán)境

圖2 上下料機(jī)器人三維CAD模型

上下料機(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，某些較小工藝結(jié)構(gòu)并不影響結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，反而會(huì)增加仿真計(jì)算與分析難度，因此需進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化[8～10]，主要簡(jiǎn)化內(nèi)容如下：

1）壓縮非關(guān)鍵部位的較小倒角和圓角；

2）壓縮某些配合的螺紋孔；

3）對(duì)很難進(jìn)行網(wǎng)格的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)。

本文的分析中采用了二階四面體10節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，材質(zhì)為45#鋼，彈性模量200Gpa，密度為7800Kg/m3，泊松比為0.32，屈服強(qiáng)度為248MPa，許用變形量小于等于2mm。

2.2 約束與載荷定義

圖3 極限工況載荷的施加

根據(jù)上下料機(jī)器人實(shí)際工作情況發(fā)現(xiàn)其在圖3所示工作位置時(shí)變形最大，為極限工況，最易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的問題。本文將對(duì)此工作位置機(jī)器人整機(jī)的靜力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

在底座安裝面4個(gè)安裝孔處施加固定約束；在減速器的受力面上施加與實(shí)際減速器等效的扭轉(zhuǎn)剛度，以模擬不同位置的工況；其他關(guān)節(jié)之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過在Solidworks Simulation中施加銷釘約束來實(shí)現(xiàn)。

上下料機(jī)器人所受載荷為自身和工件的重力，其中自身重力利用密度和重力加速度進(jìn)行施加，方向堅(jiān)直向下；而工件按100kg的極限負(fù)載，作為遠(yuǎn)程載荷施加到其實(shí)際重心位置上，如此處理即可減少網(wǎng)格數(shù)量，也能保證計(jì)算精度[11～15]。選擇承載面施加遠(yuǎn)程載荷，如圖3所示。

2.3 網(wǎng)格劃分

選擇網(wǎng)格大小為48mm，公差為2.4mm，雅可比點(diǎn)值取16，消除草稿品質(zhì)網(wǎng)格，選擇實(shí)體的自動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)取3。對(duì)網(wǎng)格大小進(jìn)行控制，采用長(zhǎng)度30mm，公差為1.5mm的網(wǎng)格[16～19]。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，共計(jì)186038個(gè)節(jié)點(diǎn)，102100個(gè)單元。

3 仿真結(jié)果分析

圖4 網(wǎng)格劃分后的模型

圖5 極限位置等效應(yīng)力云圖

運(yùn)行有限元仿真模型，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。其中整機(jī)的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，最大等效應(yīng)力為46.0Mpa，出現(xiàn)在大臂處，小于許用應(yīng)力248MPa，滿足強(qiáng)度要求。最大等效位移為2.71mm，如圖6所示，出現(xiàn)在末端執(zhí)行，超出允許的變形范圍，因此有必要提高結(jié)構(gòu)的剛度。

圖6 極限位置位移云圖

上下料機(jī)器人大臂是影響設(shè)備整體剛度的最重要部件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)嘗試對(duì)大臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，增加外框與加強(qiáng)筋的寬度。再次對(duì)修改后的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)仿真分析，結(jié)果如圖7所示，末端最大位移降至1.67mm，小于最大允許變形量，結(jié)構(gòu)性能得到改善。

圖7 大臂修改后極限位置位移云圖

4 結(jié)論

利用Solidworks Simulation對(duì)上下料機(jī)器人在極限工況條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，但剛度不足，末端變形量較大達(dá)到2.71mm，達(dá)不到使用精度要求。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與仿真結(jié)果，提出增強(qiáng)機(jī)器人大臂剛度的改進(jìn)方案，再次進(jìn)行仿真后，末端變形量降至1.67mm，滿足使用要求。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的上下料機(jī)器人已經(jīng)投廠，并穩(wěn)定應(yīng)用于多家生產(chǎn)企業(yè)。事實(shí)證明采用Solidworks Simulation用于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的仿真分析是快速有效的。

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