孫佳濤，黃金鳳，呂玉明，董珈皓

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

目前世界各國的水泥生產(chǎn)行業(yè)中，袋裝水泥的產(chǎn)量仍然很大。水泥裝載過程中大多采用“膠帶傳送機(jī)-人工碼包”的方式，這種傳統(tǒng)的裝載方法由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、裝運(yùn)量小，無法有效配合現(xiàn)代包裝機(jī)械，且工作環(huán)境惡劣、揚(yáng)塵嚴(yán)重，對(duì)裝載工作人員的身體健康以及空氣環(huán)境都造成嚴(yán)重影響[1]。因此，迫切需要一套高效的自動(dòng)袋裝水泥裝車設(shè)備，以降低生產(chǎn)成本、提高裝車效率、減小環(huán)境污染。

在袋裝水泥裝車機(jī)械手的研究中，為改善其性能，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用現(xiàn)代先進(jìn)的設(shè)計(jì)和分析方法對(duì)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)和主要部件進(jìn)行分析和優(yōu)化[2]。本文利用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)械手模型，通過ANSYS Workbench軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，檢驗(yàn)主要受力部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及樣機(jī)的研制提供依據(jù)。

1 裝車機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手由基座處兩伺服電機(jī)相互協(xié)同配合控制兩大臂轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)定角度，進(jìn)而帶動(dòng)連接在大臂上的兩小臂運(yùn)動(dòng)，最終使安裝在小臂末端的搬運(yùn)廂到達(dá)預(yù)定位置，而安裝在搬運(yùn)廂上方的伺服電機(jī)控制搬運(yùn)廂轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)定角度，最終使袋裝水泥按照碼放要求到達(dá)指定位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂接取、平移、推送等一系列動(dòng)作，機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)圖

小臂長度為1 200 mm，大臂長度為650 mm，機(jī)械臂安裝的兩基座中心距為1 000 mm。大臂外殼選用(120×60×4)mm空心結(jié)構(gòu)鋼，小臂外殼選用(120×50×4)mm空心結(jié)構(gòu)鋼。

2 有限元分析

機(jī)器人靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，計(jì)算在固定不變載荷作用下大臂和小臂的位移、應(yīng)力，靜力分析可以為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供非常重要的參考[3]。本文采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行建模仿真，Workbench所提供的CAD雙向參數(shù)鏈接互動(dòng)、項(xiàng)目數(shù)據(jù)自動(dòng)更新機(jī)制、全面的參數(shù)管理、無縫集成的優(yōu)化升級(jí)工具，避免了CAD模型導(dǎo)入經(jīng)典ANSYS軟件出現(xiàn)丟線、丟面或丟體等現(xiàn)象。另外，ANSYS Workbench在模型的處理、網(wǎng)格的劃分、后處理功能等方面相比經(jīng)典ANSYS有較大的優(yōu)勢(shì)[4]。

有限元分析過程可分為前處理和后處理兩個(gè)階段。在前處理階段主要完成的工作有：通過SolidWorks與ANSYS Workbench無縫連接接口直接將CAD模型導(dǎo)入Workbench中，在Workbench軟件中完成材料屬性的加載、接觸面的約束、網(wǎng)格的劃分[5]。后處理主要完成數(shù)據(jù)的生成，靜力學(xué)分析包括應(yīng)力分析、應(yīng)變分析以及整體變形分析。

分別將機(jī)械手的大臂與小臂模型導(dǎo)入Workbench中，并對(duì)模型進(jìn)行材料屬性加載，材料選用結(jié)構(gòu)鋼，其密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的疏密程度會(huì)直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)，確定了機(jī)械手有限元網(wǎng)格劃分模型。其中大臂模型共劃分2 278個(gè)網(wǎng)格、4 379個(gè)節(jié)點(diǎn)；小臂模型共劃分3 633個(gè)網(wǎng)格、7 261個(gè)節(jié)點(diǎn)。大臂和小臂網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

在大臂末端軸孔內(nèi)壁添加固定約束，為大臂整體添加Standard Earth gravity，并將小臂與搬運(yùn)廂的重量等效簡化為350 N豎直向下的力添加在大臂前端。對(duì)模型進(jìn)行求解，得到大臂等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D及整體變形云圖，如圖4～圖6所示。

在小臂末端與大臂連接軸孔處添加固定約束，為小臂整體添加Standard Earth gravity，并將搬運(yùn)廂重量等效簡化為100 N豎直向下的力添加在小臂前端。對(duì)模型進(jìn)行求解，得到小臂等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D及整體變形云圖，如圖7～圖9所示。

3 結(jié)論

通過ANSYS有限元分析可知大臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在大臂末端的軸孔處，最大應(yīng)力值為9.72 MPa,最大變形量為0.25 mm；小臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與大臂連接的軸孔處，最大應(yīng)力值為9.49 MPa,最大變形量為0.65 mm。大臂與小臂的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa,且最大形變微小，不會(huì)對(duì)機(jī)械手工作精度造成影響。機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求，本文的研究對(duì)裝車機(jī)械手樣機(jī)的研制與進(jìn)一步優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

圖2 大臂網(wǎng)格劃分 圖3 小臂網(wǎng)格劃分

圖4 大臂等效應(yīng)力云圖 圖5 大臂等效應(yīng)變?cè)茍D 圖6 大臂整體變形圖

圖7 小臂等效應(yīng)力云圖 圖8 小臂等效應(yīng)變?cè)茍D 圖9 小臂整體變形圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚伯剛.國外袋水泥裝載技術(shù)概況[J].中國建材,1987(7):40-41.

[2] 管貽生,鄧休,李懷珠.工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(9):126-131.

[3] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[4] Moaveni S.Finite element analysis theory and application with ANSYS[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003.

[5] 姜振廷,鄭忠才,董旭.基于ANSYS Workbengh的六自由度機(jī)械臂有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014(1):109-110.