王曉健 侯緒杰 陸子幸

摘 要：堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵組成部分，其工作性能直接影響到倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本文在對(duì)堆垛機(jī)的各組成部分工作參數(shù)和安全可靠性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了堆垛機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)。應(yīng)用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，導(dǎo)入ANSYS對(duì)主要的機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了有限元仿真分析。仿真結(jié)果表明，堆垛機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)滿足了性能要求。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；堆垛機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.115

堆垛機(jī)是集成機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制等技術(shù)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。由于具有空間利用率高、存取貨物效率高的特點(diǎn)，而且有利于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理，已逐漸成為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)不可或缺的物流輸送設(shè)備。本文在堆垛機(jī)功能分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化堆垛機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并采用ANSYS軟件對(duì)其實(shí)體模型進(jìn)行了建模與仿真優(yōu)化。

1 堆垛機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)不斷的運(yùn)行在倉(cāng)庫(kù)巷道內(nèi)，進(jìn)行物料的出入庫(kù)、盤庫(kù)和分揀等作業(yè)。根據(jù)作業(yè)要求，采用單立柱堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。這種單柱巷道堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含下面幾部分：水平行走機(jī)構(gòu)、垂直提升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)部分、上橫梁、下導(dǎo)軌、帶滾珠絲杠和支撐導(dǎo)向杠的立柱和電氣設(shè)備等，如圖1所示。

2 基于ANSYS的堆垛機(jī)關(guān)鍵部件分析仿真

有限元分析采用數(shù)學(xué)近似的方法完成對(duì)真實(shí)的物體模擬。利用簡(jiǎn)單且相互作用的單元格，用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)線未知量的真是系統(tǒng)。有限元模型可以看作是由一個(gè)個(gè)小的分塊部分構(gòu)成的，或者在真實(shí)的結(jié)構(gòu)上劃線，通過(guò)這些真實(shí)結(jié)構(gòu)被分離成一個(gè)一個(gè)的小部分。

2.1 堆垛機(jī)的主要機(jī)構(gòu)的靜態(tài)模型

利用UG軟件完成零件設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行裝配。如果將裝配的實(shí)體模型導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中分析，運(yùn)算量大?？紤]到這一點(diǎn)后，使用UG軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的整機(jī)機(jī)構(gòu)和載貨臺(tái)機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)化為Parasoild的數(shù)據(jù)形式，將保存的.x_t格式的文件導(dǎo)進(jìn)到ANSYS軟件中進(jìn)行后序分析。

2.2 立柱的有限元靜力學(xué)分析

由堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)可知，在對(duì)簡(jiǎn)化后的整機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)該在上導(dǎo)軌的位置設(shè)置均勻約束力。在載貨臺(tái)的上表面自加載載貨臺(tái)自身的載荷和貨物載荷，載貨臺(tái)與立柱之間的接觸面設(shè)置水平載荷，在中間立柱的后表面上設(shè)置水平慣量載荷。采用自由劃分方式對(duì)堆垛機(jī)的整機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格如圖2所示。

通過(guò)等效應(yīng)力分布圖可以得出堆垛機(jī)立柱應(yīng)力主要集中在與立柱接觸處，最大值13.1Mpa，比許用應(yīng)力235Mpa小的多，因此這種結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)位移云圖可得出貨叉的最大撓度為0.11mm，這個(gè)位移也不會(huì)影響載貨臺(tái)的要求。因此，該設(shè)計(jì)滿足要求，在上圖中還能得到立柱的的整體剛度滿足了條件，為了降低堆垛機(jī)的質(zhì)量可以通過(guò)根據(jù)得到的結(jié)果適當(dāng)?shù)臏p小立柱的橫截面積。

2.3 載貨臺(tái)有限元分析

將UG建立的載貨臺(tái)模型導(dǎo)入ANSYS 軟件，確定載貨臺(tái)材料的屬性。載貨臺(tái)機(jī)構(gòu)主要采用了45剛的材質(zhì)，該材質(zhì)的彈性模量為210GPa；泊松比為0.3。采用自由劃分方式劃分網(wǎng)格，對(duì)簡(jiǎn)化的載貨臺(tái)機(jī)構(gòu)的模型劃分網(wǎng)格如圖所示。

從載貨臺(tái)的等效應(yīng)力應(yīng)變圖可得出載貨臺(tái)上的應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在中叉與上叉的結(jié)合部位，最大值為0.46Mpa，比許用應(yīng)力235 Mpa小得多，因此這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。但還要做到到降低集中應(yīng)力的現(xiàn)象，可在上叉和下叉的兩端的處添加上支撐筋來(lái)降低集中應(yīng)力現(xiàn)象。通過(guò)位移云圖可得出貨叉的最大撓度為0.864E-6m，這個(gè)位移量也不符合貨叉變形量的要求，符合載貨臺(tái)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為滿足堆垛作業(yè)的要求，完成了堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。堆垛機(jī)主要包括水平機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)行機(jī)構(gòu)、載貨機(jī)構(gòu)以及安全裝置。應(yīng)用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，導(dǎo)入ANSYS對(duì)主要的機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了有限元仿真分析。仿真結(jié)果表明，堆垛機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)滿足了性能要求。

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作者簡(jiǎn)介：王曉健，男，山東安丘人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。