曲永亮

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

隨著社會的快速發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人在社會的發(fā)展過程中起著越來越重要的作用。機(jī)器人能夠代替人在環(huán)境比較惡劣的場合作業(yè)，對噴涂行業(yè)而言，噴涂過程中揮發(fā)出來的有毒氣體嚴(yán)重危害這工人的身體健康，因此，噴涂機(jī)器人在社會中的應(yīng)用將越來越廣泛。

本文基于ANSYS Workbench軟件對機(jī)器人移動平臺車架進(jìn)行有限元分析，通過對車架強(qiáng)度分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 噴涂機(jī)器人移動平臺的整體設(shè)計(jì)

1.1 噴涂機(jī)器人移動平臺整體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的移動平臺是基于已設(shè)計(jì)好的直角坐標(biāo)噴涂機(jī)器人而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。移動平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人移動平臺的布局圖

1.2 發(fā)電機(jī)的選擇

鑒于汽油發(fā)電機(jī)體積小，便于移動，噪音小，功率相對于柴油發(fā)電機(jī)來講也比較小，一般適合小型企業(yè)或小型的施工現(xiàn)場，本設(shè)計(jì)采用日本雅馬哈EF13000TE汽油發(fā)電機(jī)，其相關(guān)配置和參數(shù)如表1所示：

表1

1.3 腳輪的選擇

移動平臺腳輪采用萬向輪，輪徑大小的選擇首先應(yīng)考慮承載的重量和荷重下搬運(yùn)車的起動推力，其單輪所需的載重能力計(jì)算如下：

式(1)中：T為單輪或萬向輪所需承載重量；E為運(yùn)輸設(shè)備的自重；Z為最大荷重；M為所用單輪和萬向輪的數(shù)量；N為安全系數(shù)（約1.3-1.5）。

1.4 機(jī)器人移動平臺車架的設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)器人的移動平臺是各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的載體，它承載著其它機(jī)械結(jié)構(gòu)和搭載元件的部分重量，同時(shí)也是其它部件的定位基準(zhǔn)。這就要求機(jī)器人底盤具有一定的強(qiáng)度、剛度和較高的可靠性。另外，根據(jù)噴涂機(jī)器人指標(biāo)要求，移動平臺應(yīng)該具有較高的通過障礙能力，在進(jìn)行底盤設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮到底盤通過能力。與此同時(shí)，還應(yīng)該考慮到移動平臺在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性。

本次車架的設(shè)計(jì)選用方鋼進(jìn)行焊接，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。并根據(jù)已選定的發(fā)電機(jī)以及空氣壓縮機(jī)的尺寸進(jìn)行車架的布局，整體CATIA模型圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人移動平臺整體結(jié)構(gòu)CATIA模型圖

1.5 零件材料選擇

從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟(jì)要求出發(fā)，選擇各零部件的材料。軸類零件材料的選擇時(shí)，傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價(jià)格也比合金鋼低廉，因此應(yīng)用較為廣泛，本設(shè)計(jì)移動平臺結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸采用 45號鋼，即可滿足設(shè)計(jì)要求的需要。

2 車架的強(qiáng)度分析

在ANSYS Workbench中創(chuàng)建設(shè)計(jì)車架的有限元模型，如圖3所示。

圖3 車架有限元模型

并進(jìn)行施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，求解后可得到車架的等效應(yīng)力圖如圖4所示。

圖4 車架等效應(yīng)力分布云圖

從圖4中可以看出，車架應(yīng)力的最大值為6.54MPa，車架受力最大的地方發(fā)生在安裝車輪的八根橫梁以及承載發(fā)電機(jī)的橫梁處（如圖所5示）。因此在車架焊接的過程中對于這兩處的焊接要求就相當(dāng)高。本次車架采用結(jié)構(gòu)鋼焊接，彈性模量為2×105，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345Mpa，車架的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，完全可以滿足強(qiáng)度要求。

圖5 車架應(yīng)力最大值處

圖6 車架變形云圖

圖6 車架變形最大值處

在直角坐標(biāo)噴涂機(jī)器人噴涂的過程中需要保證一定的噴涂精度，這就要求車架的變形不能過大。從圖6中可讀出車架的最大變形量為 0.0327mm，車架變形主要表現(xiàn)在車架的中間部位，而車架變形最大的地方同樣發(fā)生在安裝車輪的八支橫梁以及承載發(fā)電機(jī)的橫梁處，如圖6所示。其變形量相當(dāng)小，對于噴涂要求不會造成影響。因此，車架的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種輪式地面移動機(jī)器人平臺，并利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對所設(shè)計(jì)車架進(jìn)行模擬試驗(yàn)，有效地分析預(yù)測所設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為車架的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 李磊,陳細(xì)軍,候增廣等.自主輪式移動機(jī)器人 CASIA-I的整體設(shè)計(jì)[J].高技術(shù)通訊, 2003, 11:5-55.

[2] 謝世坤,程從山.基于 ANSYS的邊梁式車架有限元模態(tài)分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2005,(1).

[3] 張朝暉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:509-537.