碼垛機械手末端執行器擋板靜態分析及優化

王明超，何慶中，趙獻丹

（四川理工學院 機械工程學院，自貢 643000）

碼垛機械手末端執行器擋板靜態分析及優化

王明超，何慶中，趙獻丹

（四川理工學院 機械工程學院，自貢 643000）

0 引言

工業機器人已廣泛的應用于工廠及企業當中來代替人類完成一些具有危險的，重復性的，以及無法完成的工作。目前工業機器人已廣泛的應用于焊接、噴涂、搬運和裝配等方面[1]。由于社會對生產效率和質量的要求越來越高，為滿足不同企業的生產要求，工業機器人的設計及研究具有了更大的靈活性、挑戰性及周期短的特點。三維軟件及有限元分析軟件在工業機器人的設計中起著重要的作用。本文研究的碼垛機械手末端執行器主要用于從自動化生產線上提取食品、酒類等包裝產品的自動碼垛的夾持機構，對其進行有限元分析的目的在于保證機構靈活性、夾持可靠性及安全性要求的前提下，盡可能優化降低末端執行器的重量和慣量，提高碼垛機械手碼垛定位精度和自動化程度。本文首先在Solidworks中建立碼垛機械手模型，再導入SolidWorks Simulation中進行靜態分析并進行了優化，進而為機器人的機構分析及優化提供了方法。對從事該行業的工作人員有一定的指導作用。

1 碼垛機械手的作業要求及結構

碼垛機械手末端執行器的整體結構如圖1所示，氣缸帶動左擋板延導桿方向運動完成抓取工作。通過分析計算得出，機械手整體的重量為14.5kg，其中左右擋板的重量為9.65kgm，近似占整個機械手重量的2/3，要想減輕機械手的重量，首先要對左右擋板進行優化。當夾緊貨物時，擋板受力最大，如圖2所示。本文在受力最大的情況下以左擋板為例進行靜態分析并優化。

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圖1 碼垛機械手的整體結構

圖2 夾緊貨物時的情況

2 機械手擋板的SolidWorks Simulation靜態分析

2.1 碼垛機械手左擋板Simulation模型的建立

在SolidWorks界面下，點擊工具>>插件，選取SolidWorks Simulation 插件，點擊圖標進入Simulation界面，點擊文件打開擋板分析模型，如圖3所示。單擊主工具欄算例顧問，在其下拉菜單中選擇按鈕，在名稱中輸入擋板分析，選擇靜態。點擊工具欄應用材料圖標，在彈出的材料屬性管理器中選取高強度鋁合金7050，為擋板添加材料。

圖3 擋板分析模型

2.2 為擋板添加約束及載荷

2.2.1 為擋板添加約束

在有限元靜力學分析中，必須采用足夠的約束來穩定模型[2]。通過分析添加如圖4所示約束。

圖4 添加約束的擋板分析模型

2.2.2 施加載荷

經計算作用在擋板上的力為178.2N，箱體與擋板夾持位置關系如圖5所示，擋板受力部分在下半部，所以在施加載荷時要對擋板進行分割。施加載荷后的擋板分析模型如圖6所示。

圖5 箱體與擋板加持位置關系

圖6 施加載荷及約束后的擋板模型

2.3 網格劃分及靜態分析

2.3.1 網格劃分

網格化是設計分析過程中一個至關重要的步驟。SolidWorks Simulation的自動網格器會根據整體單元大小、公差及局部網格控制規格來生成網格。在設計分析的初期，近似結果足以滿足需要，因此可以指定較大的單元大小來提高解算速度。要想進行更精確的解算，可能必須使用較小的單元大小[3]。本文在進行網格劃分是采用SolidWorks Simulation默認值，網格劃分后的擋板模型如圖7所示。

圖7 網格劃分

2.3.2 靜態分析

碳鋼、鋁、銅等塑性材料通常以屈服形式是小，宜采用第三第四強度理論校核，本文處于安全考慮采用第三強度理論進行校核。分析后的應力應變及位移如圖8（a,b,c）所示。

圖8 靜態分析

從圖中可以看出與與汽缸連接的孔下部應力最大為7.4MPa，擋板底部變形最大為0.06mm。2.3.3 強度校核

擋板的材料為鋁合金7 0 5 0，彈性模量E=7 2 G P a，泊松比μ=0.3 3，屈服極限σs≤435MPa，取其安全系數為N=1.5，可得出

根據以上分析可知σeq=7.4MPa遠遠小于290MPa，擋板滿足應力和變形條件。

3 優化設計

因為出于安全考慮，初始方案選取擋板厚度為20mm，經分析計算可已看出最大應力遠遠小于許用應力，可以考慮減小擋板后度來減輕擋板質量，本文將擋板厚度減小為10mm，左擋板重量減少了2.57Kg，利用SolidWorks Simulation模塊進行分析，應力及變形如圖9(a,b)所示。

圖9 應力及變形圖

根據分析得到擋板的最大應力為26.2MPa，變形為0.49mm，均滿足要求。

4 結論

本文通過SolidWorks建立碼垛機械手末端執行器三維設計模型，并直接應用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation分析計算模塊對碼垛機械手末端執行器擋板進行了有限元靜態分析計算和優化，分析計算結果表明擋板強度能夠滿足使用要求，并且進一步驗證了本文提出采用SolidWorks建立三維數學模型，直接應用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件進行機械構件的有限元分析計算方法和步驟的正確性，提高了有限元分析的可靠性，以及實用性，對相關工程技術人員具有一定的參考價值。

1）SolidWorks Simulation軟件與SolidWorks軟件完全整合，當模型改變的時候，分析的數據庫也會相應地自動更新，計算結果也能直接顯示在SolidWorks模型上。避免了三維設計建模軟件與分析計算軟件之間的雙項轉換操作和數據轉換缺陷等問題。

2）通過對碼垛機械手末端執行器擋板進行了有限元靜態分析及優化，分析計算結果表明擋板強度能夠滿足使用要求，進一步驗證了本文提出采用SolidWorks建立三維數學模型，直接應用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件模塊進行機械構件的有限元分析計算方法和步驟的正確性。

[1]郭洪紅,等.工業機器人技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[2]江洪,陳燎,王智,等.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京:機械工業出版社,2007.

[3]SolidWorks公司著.SolidWorks Simulation高級教程2009[M].北京:機械工業出版社,2009.

[4]江洪,江帆,陸利鋒,等.SolidWorks機械設計實例解析[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5]李偉光,劉建華.基于ANSYS的工業機器人小臂有限元靜態分析[J].機械技術與機床,2010,(5):61-63.

Static analysis and optimizating for left board of palletizing robots

WANG Ming-chao, HE Qing-zhong , ZHAO Xian-dan

本文通過SolidWorks建立碼垛機械手末端執行器三維模型，并直接應用SolidWorks Simulation分析模塊對碼垛機械手末端執行器擋板進行有限元靜態分析計算，并進行了優化和校核。結果表明優化后的結構滿足要求，減輕了機械手末端執行器的重量，也驗證了SolidWorks Simulation插件進行機械構件有限元分析正確性，對相關工程技術人員具有一定參考價值，并提供了一種實用的分析計算優化方法。

SolidWorks; SolidWorks Simulation；末端執行器；靜態分析

王明超（1982 -），女，河北張家口人，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論。

TP241

A

1009-0134(2011)5(上)-0022-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).08

2010-12-10

自貢市科技計劃研究項目（2010Q03）；瀘州老窖科研基金項目（2009ljzk08）；四川理工學院科研基金項目(Y2009012)