李 祥　宗克柱　張延勝（山東科技大學(xué)，山東　青島　266590）

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碼垛機(jī)器人整機(jī)的有限元分析與優(yōu)化

李 祥宗克柱張延勝
（山東科技大學(xué)，山東青島266590）

摘要：碼垛機(jī)器人通過Solidworks電腦軟件對碼垛機(jī)器人進(jìn)行控制與組裝，碼垛機(jī)器人的靜力和動(dòng)態(tài)行為都是采用Solidworks Simulation對它們從整體和個(gè)體進(jìn)行的分析。四軸碼垛機(jī)器人一共有8種不同的姿態(tài)，通過這8種可以得到相應(yīng)8種數(shù)據(jù)分析以及進(jìn)行的8種方案優(yōu)化。本文就是從整機(jī)的情況下對碼垛機(jī)器人進(jìn)行有限的分析和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人；動(dòng)態(tài)分析；整機(jī)的優(yōu)化

隨著科技的進(jìn)步和市場發(fā)展的需求，機(jī)器人碼垛已經(jīng)逐漸開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工碼垛，這將是現(xiàn)代社會工業(yè)的一種社會趨勢。機(jī)器人的出現(xiàn)最早從日本出現(xiàn)的，20世紀(jì)中旬的時(shí)候國外有很多從事研究機(jī)器人的工業(yè)，并且就以日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家的研究已經(jīng)取得了很大的成就。最早將機(jī)器人投入市場使用是在20世紀(jì)90年代，它的使用主要的目的是為了彌補(bǔ)工業(yè)勞動(dòng)力缺乏的現(xiàn)狀。機(jī)器人的生產(chǎn)是社會生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它對社會將做出不可估量的作用。

一、碼垛機(jī)器人整機(jī)的有限元分析

本文將從以下三個(gè)方面：碼垛機(jī)器人的靜力和動(dòng)力學(xué)原理；碼垛機(jī)器人的使用壽命；搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用，進(jìn)行科學(xué)性的分析，將機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)一一解剖出來。

1 碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理

每一款機(jī)器人都有它自己的特點(diǎn)，但是它們都是還有共性，所以，就以MD200碼垛機(jī)器人為例子進(jìn)行分析。首先，要確定碼垛機(jī)器人技術(shù)參數(shù)、對MD200碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過這些數(shù)據(jù)得出我們所要構(gòu)思的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并建立D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型。在對碼垛機(jī)器人靜力學(xué)分析及模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，在靜力學(xué)的基礎(chǔ)上選擇臂部并聯(lián)機(jī)構(gòu)，靜力作用大的部位進(jìn)行分析，采用ANSYS Design Xplorer技術(shù)對所采納的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速優(yōu)化和合理的分析，并且還會對碼垛機(jī)器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過這一系列的數(shù)據(jù)分析，碼垛機(jī)器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下對機(jī)器人行程放大系數(shù)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解進(jìn)行理論分析，并通過ADAMS和MATLAB仿真分析加以驗(yàn)證通過這一系列的數(shù)據(jù)分析，對整個(gè)碼垛機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度和剛度分析計(jì)算。

2 碼垛機(jī)器人的使用壽命

Designlife是一款對碼垛機(jī)器人進(jìn)行疲勞分析軟件，對MD200碼垛機(jī)器人進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，然后通過它其中的工作強(qiáng)度來分析它的效應(yīng)力最大的極限位姿然后得出碼垛機(jī)器人的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。其次，以線性疲勞累積損傷理論為理論基礎(chǔ)，聯(lián)合Workbench有限元分析。最后，結(jié)合包裝物流生產(chǎn)線的應(yīng)用現(xiàn)狀，論證發(fā)展完善搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線的必要性。

3 搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用

（1）碼垛機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括腰座、底座、臂部、腕部等進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)，并闡述了各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；借助于solidworks三維實(shí)體造型軟件，建立碼垛機(jī)器人整機(jī)的三維數(shù)模。根據(jù)各種三維數(shù)模對碼垛機(jī)器人進(jìn)行一系列的整合和對比，找出它們生產(chǎn)線的差異，對搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用進(jìn)行更好的運(yùn)用和投入市場使用。通過對物流自動(dòng)化生產(chǎn)需求，結(jié)合MD200碼垛機(jī)器人和它內(nèi)部的內(nèi)存設(shè)置，通過這些合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對相應(yīng)的碼垛機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用進(jìn)行更好地設(shè)計(jì)和配置然后就能夠更加對以后的機(jī)器人能夠生產(chǎn)出更好地內(nèi)部配置，對它的自動(dòng)化生產(chǎn)和自動(dòng)化機(jī)器更好地合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠降低生產(chǎn)成本，還能夠在一定程度上提高市場生產(chǎn)效率。

（2）通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對碼垛機(jī)器人進(jìn)行分析，考察機(jī)器人在它的工作過程中也就是分析它最大工況載荷下最具有代表性的四個(gè)工作極限位置為分析對象，選取碼垛機(jī)器人處于工作極限位置時(shí)，對其臂部并聯(lián)機(jī)構(gòu)做整體的模態(tài)分析，獲得了前六階的固有頻率和振型，為后續(xù)的分析提供依據(jù)。在對碼垛機(jī)器人靜力學(xué)分析及模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對碼垛機(jī)器人關(guān)鍵部件小臂、前大臂、后大臂進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證這三個(gè)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，減輕其質(zhì)量，有利于提高碼垛機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)也可以節(jié)省材料，降低生產(chǎn)成本。

二、碼垛機(jī)器人整機(jī)的優(yōu)化

1 根據(jù)等效應(yīng)力云圖分析出腰座的薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)腰座三維模型，使得薄弱環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)，整體應(yīng)力下降，提高了機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能。結(jié)構(gòu)簡單、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保養(yǎng)維修簡單、所需庫存零部件少。

2 占地面積少。有利于客戶廠房中生產(chǎn)線的布置，并可留出較大的庫房面積。碼垛機(jī)器人可以設(shè)置在狹窄的空間，即可有效的使用。

3 適用性強(qiáng)。當(dāng)客戶產(chǎn)品的尺寸、體積、形狀及托盤的外形尺寸發(fā)生變化時(shí)只需在觸摸屏上稍做修改即可，不會影響客戶的正常的生產(chǎn)。而機(jī)械式的碼垛機(jī)更改相當(dāng)?shù)穆闊┥踔潦菬o法實(shí)現(xiàn)的。

4 能耗低。以前的機(jī)械式碼垛機(jī)的功率一般都會在30kW左右，而我們將要優(yōu)化的碼垛機(jī)器人的功率控制在5kW左右。這不僅能夠可以節(jié)約能量，還能夠降低了運(yùn)行成本。

5 操作界面將更加地簡單、方便，它的操作界面將會全部控制放在一個(gè)可控制柜屏幕上操作，對相對控制機(jī)器人的操作人員要求不高，更加地減低人員成本。

結(jié)語

第一，碼垛機(jī)器人的出現(xiàn)能夠提高社會的生產(chǎn)效率，改善的員工勞動(dòng)環(huán)境，在一定程度上還能夠保證成品的質(zhì)量，減少人為的失誤。第二，對提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。第三，優(yōu)化作業(yè)布局有著突出的貢獻(xiàn)，碼垛機(jī)器人的優(yōu)勢是工作性能和可靠性高、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量都很好。

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中圖分類號：TP242

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