曹振波 李呼 高世卿 趙亞川 皮景峰

摘 ? 要：本文提出了一種水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人，通過機(jī)器人的D-H參數(shù)找出了最惡劣工況，并通過對三維模型的簡化、加載、約束、網(wǎng)格劃分、計(jì)算和后處理，計(jì)算了最惡劣工況下機(jī)器人的應(yīng)力和變形等仿真結(jié)果，并進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的機(jī)器人應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力和安全系數(shù)，變形滿足機(jī)器人的控制精度要求。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡化，節(jié)省空間占用，自重輕，自動(dòng)化程度高，能夠在物料移運(yùn)領(lǐng)域有更廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水平關(guān)節(jié) ?重載機(jī)器人 ?仿真分析

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0099-03

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在制造、裝配、航天、汽車、冶金、電子電氣、軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對機(jī)器人的負(fù)載的要求也越來越高。重載機(jī)器人在搬運(yùn)、上下料、移載等領(lǐng)域的優(yōu)勢使其使用場合也在逐漸擴(kuò)大。在使用重載機(jī)器人的場合，其負(fù)載有以下特點(diǎn)：

（1）尺寸較大，重量較重，需要吊車或其他機(jī)械設(shè)備移運(yùn);

（2）移運(yùn)為重復(fù)性勞動(dòng)，工人操作設(shè)備易疲勞，工作可靠性差;

（3）操作空間受限。

為了滿足上述使用要求，本文提出了一種水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人，并對其進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度、剛性仿真分析分析。該機(jī)器人具有足夠的強(qiáng)度和剛性，能夠滿足移運(yùn)工作的需要。與現(xiàn)有機(jī)器人相比，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡化，節(jié)省空間占用，自重輕，自動(dòng)化程度高，期待在物料移運(yùn)領(lǐng)域有更廣闊的的應(yīng)用。

1 ?水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1，水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人包括小臂和大臂。小臂與大臂之間用回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接，大臂和大臂支承座之間用回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接以大臂支承座為基礎(chǔ)坐標(biāo)系，則機(jī)械臂的DH參數(shù)見表1。

因此T矩陣為：

通過Solidworks軟件對大臂、小臂分別進(jìn)行質(zhì)量屬性測量，得到：

大臂質(zhì)量m1=240kg，小臂質(zhì)量m2=150kg，小臂、大臂最大角速度均為0.175rad/s，小臂、大臂角最大加速度均為0.087rad/s2。當(dāng)小臂與大臂角速度方向相同時(shí)小臂離心力最大。

2 ?仿真分析

水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人仿真分析采用Solidworks軟件的Simulation插件。

第一步，簡化模型。簡化標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）壓縮了非承載件和裝飾件;

（2）壓縮了小的安裝孔和工藝孔;

（3）壓縮了外購件如電機(jī)、走線套管等;

（4）用等尺寸圓環(huán)代替回轉(zhuǎn)支承，壓縮了倒角、圓角;

（5）由于機(jī)器人大臂、小臂采用焊接成型，根據(jù)焊接要求，焊接強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度，因此建模時(shí)適當(dāng)調(diào)整模型尺寸，用接合的方式聯(lián)接各焊接子件進(jìn)行分析。

第二步，加載材料。打開要分析的零件，創(chuàng)建算例，選擇“靜應(yīng)力分析”;設(shè)置零件材料為Q235-B。

第三步，加載重力、遠(yuǎn)程載荷加載630kg負(fù)載重力、加載離心力。在Solidworks Simulation中，可以通過加載離心力的角速度及角加速度方式加載離心力。

第四步，設(shè)置零件的“夾具”，將大臂支承座的支承面設(shè)置為“固定”約束。加載力及約束圖解如圖2所示。

第五步，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，生成網(wǎng)格。采用Solidworks Simulation的網(wǎng)格生成功能自動(dòng)生成網(wǎng)格。由于主框架為10mm厚鋼板焊接而成，按照有限元分析要求，在型鋼厚度方向上至少要生成2層網(wǎng)格，因此網(wǎng)格參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，最大尺寸為55，最小尺寸為1.5，雅克比點(diǎn)選擇4點(diǎn)。網(wǎng)格圖解如圖3。

機(jī)器人伸直狀態(tài)網(wǎng)格，最大單元大?。?.0777828m;最小單元大?。?.0155566m;節(jié)總數(shù)：318441;單元總數(shù)191654。

機(jī)器人大臂與小臂呈90°角狀態(tài)網(wǎng)格，最大單元大?。?.0643407m;最小單元大小：0.0128681m;節(jié)總數(shù)：306575;單元總數(shù)186065。

第六步：運(yùn)行分析，得到應(yīng)力及位移圖解（見圖4，圖5）。根據(jù)應(yīng)力和位移的仿真結(jié)果對機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后重復(fù)第一步到第五步，并重新運(yùn)行分析，得到的結(jié)果如下：

根據(jù)有限元分析云圖可以得到，優(yōu)化后的機(jī)器人，伸直狀態(tài)下最大應(yīng)力95.30MPa，最大變形1.048mm;大臂和小臂呈90°角狀態(tài)下最大應(yīng)力97.30MPa，最大變形0.9278mm。小臂電機(jī)安裝孔內(nèi)為受力最惡劣的位置。應(yīng)力分布平滑收斂，計(jì)算結(jié)果能夠反映實(shí)際情況。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)應(yīng)該取1.5以上，則機(jī)器人本體材料至少應(yīng)當(dāng)有97.3×1.5 = 146.0 MPa的屈服強(qiáng)度。Q235-B材料屈服強(qiáng)度為235 MPa，滿足要求。實(shí)際上，機(jī)器人本體的安全系數(shù)達(dá)到220.6÷97.3=2.42。

根據(jù)有限元分析云圖可以得到，優(yōu)化后的小臂末端是變形最大的位置，最大變形量1.048mm。按照設(shè)計(jì)要求，整體最大變形量不超過2mm，滿足要求。

3 ?結(jié)語

本文針對一種水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人，提供了一種與傳統(tǒng)方式不同的方案，與傳統(tǒng)方式相比，設(shè)備更加簡化，節(jié)省空間占用，自重輕，自動(dòng)化程度高。

本文對上述水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人進(jìn)行了有限元分析與校核，通過有限元分析得知，該機(jī)器人在最惡劣工況下能夠滿足使用要求，設(shè)計(jì)合理。期待這種水平關(guān)節(jié)重載機(jī)器人能在物料移運(yùn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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