基于油田管類產品堆垛機器人結構設計和強度分析

劉文波， 遠桂方

（1.沈陽理工大學，沈陽110168；2.沈陽工學院 機器人研究所，遼寧 撫順113122）

0 引言

堆垛機器人是伴隨著自動化立體倉庫而興起的專業起重設備，一般被人們稱為堆垛機或者堆垛機器人。它是自動化立體倉庫的核心設備之一，是主要的貨物存取設備。隨著計算機控制技術和物流倉儲技術的發展，堆垛機應用越來越廣泛，技術性能越來越好，同時為了滿足大型立體化倉庫的要求，其整體高度不停地攀升，基于特殊產品存儲，堆垛機器人機構設計在某些方面需要改進。如針對某油田鉆井油泵管類產品存儲。直徑60～150 mm，厚度10 mm，長度3～12 m不等管類產品的存儲，需要設計特殊抓取裝置機械手進行抓取，為了滿足抓取穩定性要求，需要保證整體機構強度滿足要求，特別是機械手部分強度可靠，對機械手進行機構優化設計，強度分析，滿足異型堆垛機器人的高效穩定存儲。

1 異型堆垛機器人概述

堆垛機器人一般由金屬結構（包括雙立柱、上橫梁、下橫梁）水平行走機構、起升機構、旋轉機構、伸縮臂機構、抓取機構和電器控制柜等各大部分組成，雙立柱堆垛機器人的外形結構如圖1所示。

圖1

水平行走機構裝在機架雙下橫梁上，使堆垛機沿水平方向在巷道中進出運動；起升機構置于雙立柱內，伸縮臂沿雙立柱的導軌上下移動；兩伸縮臂在起升機構作用下分別沿雙立柱同步移動；使伸縮臂能停留在指令所指層；伸縮臂由二級伸縮機構組成，二級桿伸展到最大行程處停止，機械手腕部機構在二級桿上進行尋址定位，進而完成抓?。ù娣牛﹦幼?。

堆垛機器人金屬機構是堆垛機器人的主要承載部分，主要由雙立柱、上橫梁、兩個下橫梁和旋轉臺等部件承載。堆垛機器人整體機構簡圖如圖2所示。整個機構原理：水平運行由四輪機構來實現，2個主動輪、2個從動輪置于下橫梁，橫梁端部設有緩沖器；兩橫梁上裝有旋轉平臺，旋轉平臺上有兩立柱，兩立柱上有上橫梁和起升機構，上平臺及以上部分機構可相對下平臺做0°～360°旋轉運動；旋轉平臺上有兩立柱及起升機構和平衡機構；機械手隨伸縮臂沿兩立柱上下移動，機械手又可以沿伸縮臂移動；上橫梁安裝滑輪或鏈輪機構、上水平導輪、電纜拖掛機構或者滑觸線供電裝置、平衡機構導輪等部件。

圖2 堆垛機器人結構簡圖

2 堆垛機器人的整體控制

控制系統是堆垛機的重要組成部分，堆垛機需要在自動化立體庫中穿梭并完成存取貨的功能，必須具備水平行走、垂直提升、旋轉、伸縮臂伸縮和抓?。ǚ潘桑?個自由度，并且具備較好的速度控制和準確的定位功能。

該堆垛機器人的控制系統主要有上位機、觸摸屏、PLC可編程控制器、水平行走控制系統、垂直提升控制系統、旋轉臺旋轉控制系統、伸縮臂伸縮控制系統、機械手控制系統、層認址系統、列認址系統、貨格認址系統、貨物檢測系統和極限保護系統等組成。由于實際要求堆垛機具備手動控制、半自動控制及計算機控制三種控制方式。其水平行走最高速度為30 m/min，垂直提升最高速度為10 m/min，最高速度為10 m/min的情況下達到±3 mm定位精度。兼顧低成本高效率的原則，確定水平行走控制選擇伺服驅動器＋伺服電機控制模式，垂直提升、旋轉轉向、伸縮臂伸縮和機械手抓取系統選擇變頻器＋三相異步電動機控制模式，該堆垛機器人的控制系統結構拓撲圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構拓撲圖

3 結構驗算

機械手結構滑板軌道是主要的承受重力部件之一，機械手滑板軌道結構圖如圖4、橫截面如圖5。

機械手部分受力主要是支撐板（滑軌）滑軌受力，在機械抓達到最大行程處，滑軌受重力分別為F1和F2，機械手腕的支撐力F，如圖4所示。機械手滑軌危險截面在中心處，應進行應力分析檢驗其極限強度是否滿足要求。最大油管長12 m，壁厚10 mm，直徑160 mm，其重力為420 kg，機械手上有伺服電機5 kg，M=450 kg。

整個機構相當于簡支梁機構，可以畫出立柱的彎矩圖和剪力圖。

F1引起的彎矩圖和剪力圖見圖6，計算得：M1max=-146081.25 N·mm，Q1max=-551.25 N。

由F引起的彎矩圖和剪力圖見圖7，計算得：Mmax=165375 N·mm，Qmax=1102.5 N。

圖4

圖5

F2引起的彎矩圖和剪力圖見圖8，計算得M2max=-41343.75N·mm，Q2max=-551.25 N。

滑軌受力的合成彎矩圖和合成剪力圖如圖9所示。從圖中可以看出滑軌中心點C處為危險界面Mmax=63393.75 N·mm，Fmax=551.25 N。

圖6 滑軌上F 1及其彎矩圖和剪力圖

單個機械手整個滑軌結構有2個工型梁承受支承受力，每個工型梁在C點是危險截面。材料選用合金結構鋼20Cr。應該驗算是否滿足強度要求。截面C處剪力 Qcmax=551.25 N，Mcmax=63393.75 N·mm。其橫截面如圖10，截面可分為3 個部分 A1、A2、A3，計算其慣性矩 Iz1、Iz2、Iz3。

圖7 滑軌上F及其彎矩圖和剪力圖

3個截面的面積A1=225 mm2，A2=600 mm2，A3=225 mm2。

根據平衡移軸公式，3個截面對中心軸的慣性矩計算分別為：

其中 Iz1′、Iz2′、Iz3′、分別為3 個截面對各自形心軸的慣性矩，將三截面對中性軸Z的慣性矩相加，得：Iz=Iz1+Iz2+Iz3=3.0875×105mm4。

圖8 滑軌上F 2及其彎矩圖和剪力圖

計算整個截面上半部分的靜矩S，得到兩個截面上半部分靜矩分別為：SA1=2671.875 mm3，SA2=3000 mm3。

截面的最大彎矩Mmax=63.394×103N·m，Qmax=G/8=551.25 N。

前面計算已得到Iz=3.0875×105mm4，則抗彎截面系數w=Iz/e2=1.235 ×104mm3，Iz/S=54.435 mm。

圖9 滑軌總的受力及其合成彎矩圖和剪力圖

以下進行強度校核計算：

1）校核正應力強度。

材料的許用應力：［σ］=σs/ns=540 MPa÷5=108MPa，

圖10 直軌截面圖

材料的強度滿足條件：σmax<［σ］。

2）校核剪應力強度。

選 σs=235 MPa，而許用應力［τ］=235÷5=47 MPa，則 τmax<［τ］，滿足強度條件。

4 結論

本文對異型堆垛機器人進行了機械手直軌做了靜力學分析，滿足力學要求，針對油田油泵類產品的自動化存儲，設計出的新型堆垛機器人進行了結構論證，在傳統控制系統的基礎上進行了控制系統的設計論證，可滿足有泵類產品的自動化、智能化存儲要求。