劉邦雄

摘? 要：注塑機(jī)機(jī)械手是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在整個(gè)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，機(jī)械手的主臂和副臂固定在懸臂末端上，因而懸臂結(jié)構(gòu)是整個(gè)機(jī)械手承重、受力的重要部件。文章對(duì)懸臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)靜力學(xué)分析得到了撓度的最大變形量，為機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;懸臂;撓度;靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TQ320.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0074-02

Abstract： The manipulator of injection molding machine is a relatively complex mechanical structure system. In the whole mechanical structure system， the main arm and auxiliary arm of the manipulator are fixed on the end of the cantilever， so the cantilever structure is an important part of the load bearing and stress of the whole manipulator. In this paper， the static analysis of the cantilever is carried out， and the maximum deformation of the deflection is obtained through the static analysis， which provides a reference value for the design of the manipulator structure.

Keywords： manipulator; cantilever; deflection; static analysis

引言

在工業(yè)流水線工作過(guò)程當(dāng)中，許多崗位依賴著工人的技能和體力，具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不好等幾大難題，因此各大制造行業(yè)紛紛引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備[1]。在橡膠注塑行業(yè)中，由于機(jī)械手安裝便捷，工作流程較為簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，注塑機(jī)機(jī)械手越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于企業(yè)當(dāng)中[2，3]。然而機(jī)械手工作時(shí)要承受一定的載荷，對(duì)其懸臂支撐的結(jié)構(gòu)會(huì)造成彎曲變形，因此應(yīng)將彎曲變形的最大位移量控制在一定范圍內(nèi)用以保證懸臂的結(jié)構(gòu)足以支撐機(jī)械手的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文以工廠注塑機(jī)機(jī)械手懸臂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元仿真分析軟件對(duì)懸臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，求得最大的變移量[4-6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)懸臂部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉一些非重要零部件，如箱體蓋、氣缸、緩沖塊、定位塊等對(duì)模型有限元分析影響不大的零件略去。簡(jiǎn)化之后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看到，該懸臂部分由電機(jī)底板與橫行方通相連接，底板與兩根懸臂通過(guò)螺栓鉚接在一起，而后又通過(guò)封板進(jìn)一步把兩根懸臂固定住。為了加固懸臂梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出兩根光桿作為輔助支撐，確保懸臂的剛度。

2 網(wǎng)格劃分

對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)存在一些比較復(fù)雜的部位，同時(shí)三維CAD模型文件在轉(zhuǎn)換格式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)信息對(duì)接存在誤差的情況，所以若不對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何清理，將嚴(yán)重影響網(wǎng)格質(zhì)量并影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，甚至?xí)霈F(xiàn)根本無(wú)法求解的情況。通過(guò)幾何清理，對(duì)模型進(jìn)行檢查和修正，對(duì)模型進(jìn)行多余面、抑制邊、多余節(jié)點(diǎn)等問(wèn)題的檢查，并針對(duì)這些問(wèn)題予以修正。

對(duì)模型進(jìn)行幾何清理后，才能對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。本文研究的懸臂結(jié)構(gòu)組成部件的形狀都比較規(guī)則，采用2D單元?jiǎng)澐?，并賦予厚度值。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。模型中包含的2D網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為39857個(gè)，四邊形單元為40594個(gè)。

3 添加材料屬性

對(duì)劃分好網(wǎng)格的懸臂部分需要賦予一定的材料屬性，由于對(duì)懸臂進(jìn)行靜力分析時(shí)，各個(gè)零件所受到的變形僅為彈性形變。因此根據(jù)彈性力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知，僅需要賦予懸臂各零件彈性模量、泊松比和密度即可。本文中懸臂所使用的材料主要為兩種，懸臂和光桿采用鋁合金6063，電機(jī)固定座和光桿固定座采用普通碳素鋼Q235，具體的材料屬性見(jiàn)表1。

4 添加約束關(guān)系與載荷

完成材料屬性賦予后的懸臂需要采用多種連接方式以使懸臂結(jié)構(gòu)成統(tǒng)一的整體。零件之間的連接方式有很多種，不同連接方式的選用對(duì)模型的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要的影響。大量分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，關(guān)鍵部位的連接位置和類型往往對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性具有決定性的影響，因此在用有限元方法進(jìn)行模擬時(shí)必須考慮實(shí)際情況和特點(diǎn)，嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定的連接位置和類型進(jìn)行連接。本文主要采用的是螺栓連接，連接方式如圖3所示。

對(duì)添加好約束關(guān)系的有限元模型添加載荷，根據(jù)懸臂受力情況的分析，在懸臂右側(cè)端部中點(diǎn)位置施加一個(gè)豎直向下的軸向載荷，載荷的大小為20N，繼續(xù)對(duì)該點(diǎn)加載，采用間隔40N方式加載，最大載荷加至140N。

5 仿真分析

完成好上述步驟之后，選用HyperMesh中OptiStruct后處理模塊進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中（a）～（d）分別為載荷為

20N、60N、100N、140N狀態(tài)下的位移云圖。從圖4中可以看到，最大位移與載荷成正比關(guān)系，當(dāng)最大載荷為140N時(shí)，最大的位移量為0.6823mm。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懸臂部分的簡(jiǎn)化，導(dǎo)入至HyperMesh中，對(duì)其進(jìn)行離散化處理，然后添加約束與載荷，得到了在相應(yīng)載荷下的位移云圖。分析云圖，得知最大的位移量為0.6823mm，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，縮短了樣機(jī)的研制周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]王田苗，陶永.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（09）：1-13.

[2]打造我國(guó)塑料機(jī)械無(wú)人智能化車間凸顯母機(jī)地位[J].橡塑技術(shù)與裝備，2015（18）：127.

[3]袁清珂，裴崇，黃俊欽.注塑機(jī)械手的參數(shù)化設(shè)計(jì)及振動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（05）：171-174.

[4]丁芳，曹天捷.一種微開(kāi)關(guān)懸臂梁的靜力變形分析模型及其應(yīng)用[J].機(jī)械強(qiáng)度，2005（04）：460-464.

[5]梁興復(fù).矩形懸臂板靜力彎曲問(wèn)題的分析[A].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編輯部、華僑大學(xué)土木工程系、清華大學(xué)土木工程系.第四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編輯部、華僑大學(xué)土木工程系、清華大學(xué)土木工程系，1995：4.

[6]衡豪，王禹林，馮虎田.滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（02）：106-109.