基于Solidworks Simulation的機床上下料專用機器人結構優化

邊弘曄，李學威，管莉娜，馬 壯

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

機床上下料作為專用機器人，是智能工廠的重要組成部分，其極大的提高了勞動效率、降低了勞動力成本。機床上下料機器人在正常工作中負荷較高，一旦機器人本體發生較大變形，將破壞工件的安裝精度，同時由于其自身較大的動能可能導致嚴重的生產事故。因此，有必要在設計階段對上下料機器人的機械結構進行全面準確的分析，以便找到現有結構中的薄弱點，為結構優化提供理論支持[1～4]。

Solidworks是應用最為廣泛的三維機械設計軟件之一，其內置的Solidworks Simulation插件可實現對機械結構力學分析的無縫聯接，相比于專業的有限元軟件，其操作更為簡單，在滿足基本力學分析需求的同時也為企業降低一大筆軟件費用[5～7]。

1 上下料機器人的三維實體模型的建立

圖1為上下料機器人及其工作環境示意圖，主要由機器人、上料臺、機床3個部分組成。利用Solidworks創建了上下料機器人的三維CAD模型，如圖2所示，上下料機器人的機械結構采用了雙平行四連桿的方式。

2 上下料機器人有限元模型的建立

2.1 幾何模型簡化及參數配置

圖1 上下料機器人工作環境

圖2 上下料機器人三維CAD模型

上下料機器人幾何結構較為復雜，某些較小工藝結構并不影響結構整體的力學性能，反而會增加仿真計算與分析難度，因此需進行一定的簡化[8～10]，主要簡化內容如下：

1）壓縮非關鍵部位的較小倒角和圓角；

2）壓縮某些配合的螺紋孔；

3）對很難進行網格的零件進行結構微調。

本文的分析中采用了二階四面體10節點實體單元，材質為45#鋼，彈性模量200Gpa，密度為7800Kg/m3，泊松比為0.32，屈服強度為248MPa，許用變形量小于等于2mm。

2.2 約束與載荷定義

圖3 極限工況載荷的施加

根據上下料機器人實際工作情況發現其在圖3所示工作位置時變形最大，為極限工況，最易出現結構失效的問題。本文將對此工作位置機器人整機的靜力學狀態進行分析。

在底座安裝面4個安裝孔處施加固定約束；在減速器的受力面上施加與實際減速器等效的扭轉剛度，以模擬不同位置的工況；其他關節之間可以相對轉動，通過在Solidworks Simulation中施加銷釘約束來實現。

上下料機器人所受載荷為自身和工件的重力，其中自身重力利用密度和重力加速度進行施加，方向堅直向下；而工件按100kg的極限負載，作為遠程載荷施加到其實際重心位置上，如此處理即可減少網格數量，也能保證計算精度[11～15]。選擇承載面施加遠程載荷，如圖3所示。

2.3 網格劃分

選擇網格大小為48mm，公差為2.4mm，雅可比點值取16，消除草稿品質網格，選擇實體的自動試驗，試驗數取3。對網格大小進行控制，采用長度30mm，公差為1.5mm的網格[16～19]。網格劃分結果如圖4所示，共計186038個節點，102100個單元。

3 仿真結果分析

圖4 網格劃分后的模型

圖5 極限位置等效應力云圖

運行有限元仿真模型，計算結果如圖5和圖6所示。其中整機的等效應力云圖如圖5所示，最大等效應力為46.0Mpa，出現在大臂處，小于許用應力248MPa，滿足強度要求。最大等效位移為2.71mm，如圖6所示，出現在末端執行，超出允許的變形范圍，因此有必要提高結構的剛度。

圖6 極限位置位移云圖

上下料機器人大臂是影響設備整體剛度的最重要部件，根據經驗嘗試對大臂結構進行調整，增加外框與加強筋的寬度。再次對修改后的機器人結構進行整機仿真分析，結果如圖7所示，末端最大位移降至1.67mm，小于最大允許變形量，結構性能得到改善。

圖7 大臂修改后極限位置位移云圖

4 結論

利用Solidworks Simulation對上下料機器人在極限工況條件下的力學性能進行了仿真分析，發現原有結構的強度滿足要求，但剛度不足，末端變形量較大達到2.71mm，達不到使用精度要求。結合經驗與仿真結果，提出增強機器人大臂剛度的改進方案，再次進行仿真后，末端變形量降至1.67mm，滿足使用要求。

經過結構優化的上下料機器人已經投廠，并穩定應用于多家生產企業。事實證明采用Solidworks Simulation用于機器人結構的仿真分析是快速有效的。

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