白酒碼垛機器人靜力學分析與結構優化

李江

白酒碼垛機器人靜力學分析與結構優化

李江

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000）

以白酒碼垛機器人為研究對象，利用SolidWorks建立了白酒碼垛機器人后臂的三維模型。采用ABAQUS軟件對自動碼垛機器人重要部件的有限元模型進行靜力結構分析，獲得了重要部件的應變、應力云圖，并根據分析結果優化其結構。優化結果表明：改進后的后臂變形由0.486 4 mm降低到0.090 69 mm，優化增加了碼垛機器人的靜剛度，滿足材料要求的應變范圍。該分析方法對自動碼垛機器人的設計與改進具有一定的指導意義。

碼垛機器人；靜力結構分析；結構優化；有限元分析；ABAQUS

碼垛是連接白酒包裝和倉儲的重要環節，在白酒的生產物流中有著重要的地位。碼垛機器人可以將不同外形尺寸的包裝貨物整齊地、自動地碼在托盤上。采用碼垛機器人系統可以顯著地減少人工，提高生產效率，基本可完成48 000瓶/小時甚至60 000瓶/小時全自動白酒包裝線碼垛要求。目前歐、美、日的碼垛機器人在碼垛市場的占有率超過了90%，絕大數碼垛作業由碼垛機器人完成。碼垛機器人能適應于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業，這也是我國白酒業碼垛發展的必然選擇之一[1]。

在碼垛機器人的結構設計過程中，靜力學分析是一個重要的步驟。對機器人的靜力學分析，可以使設計人員了解機器人的各部分的應力、應變分布[2]，從而清楚地了解設計中存在的缺陷和結構上的薄弱環節。本文借助機械仿真設計SolidWorks軟件與有限元仿真軟件ABAQUS，對白酒包裝碼垛機器人的主要構件進行靜力學分析，并根據結果對零件結構進行優化和改進，最終達到使其安全運行的目的[3]。

1 碼垛機器人的結構與材料屬性

白酒包裝自動碼垛機器人結構如圖1所示，其主要構件為前后臂和底座，前后臂均采用鋁合金，旋轉底座的圓盤的材料采用鋁合金，其他部分采用45#鋼[4]。材料的物理屬性如表1所示。

圖1 碼垛機器人結構示意圖

表1 鋁合金與45#鋼的物理屬性

2 后部大臂的有限元分析

2.1 后部大臂的建模

采用SolidWorks軟件建立后部大臂的三維模型，再將三維模型導入ABAQUS，使用結構化網格技術劃分網格，網格類型采用C3D8，雅克比設置為4點[5]，單元尺寸為16.496 5 mm.

2.2 確定邊界條件

白酒包裝碼垛機器人后部大臂的受力情況如圖2所示，圖中F1是碼垛機器人在做整體回轉運動時的慣性力，取F1=330 N.F2和F3是碼垛機器人通過前臂傳遞過來的力，取F2=0，F3=600 N.

圖2 后臂受力示意圖

2.3 數值模擬結果及分析

應變與最大應力是判斷碼垛機器人能否安全運作的重要因素，通過ABAQUS軟件對碼垛機器人后臂進行有限元靜力結構分析，得到它在上述工況條件下的最大變形與最大應力，分別如圖3、圖4所示。

圖3 后部大臂應變云圖

圖4 后部大臂應力云圖

根據后部大臂的應變云圖可知最大變形為0.4864 mm，根據要求，后部大臂的變形應小于0.2 mm，因此變形超出了允許范圍。鋁合金的屈服強度為195 MPa，抗拉強度175 MPa，分析結果得到三個方向的最大和最小應力如表2所示。

表2 后臂各向應力

安全系數取n=1.5，因此[σ]＝195/1.5=130 MPa，11.91 MPa＜11.91 MPa，因此后部大臂的結構和材料滿足要求。

2.4 結構優化與分析

通過ABAQUS數值模擬和結果分析表明：后臂在該工況條件下，應變超過了允許的數值范圍，是白酒包裝碼垛機器人不能安全運行[6]。因此，本文對碼垛機器人的后臂進行了優化改進。機器人臂部在扭轉時會在薄壁處產生較大的切應力，分析時將薄壁看做由許多狹長的矩形截面組成，再把各個截面求和。薄壁桿的最大切應力可由下式計算：

其中Ω表示薄壁截面的中心所圍成的面積。把一個外力偶M施加到臂部的截面桿上，產生的切應力為：

其中h為截面長度，b為截面寬度，δ為壁厚。

為保證碼垛機器人后臂使用安全，必須增加后臂厚度，并要保證為等壁厚且截面為矩形，這樣可以減小扭轉切應力，增強抗扭性。考慮到碼垛機器人的受力平衡和以及運動時會產生慣性切應力，所以又在后部大臂上附加一個輔助后臂，以減小慣性沖擊。將結構優化后的模型再次導入ABAQUS進行分析，優化后的后部大臂應力應變云圖如圖5、圖6所示。

圖5 后臂的優化應力云圖

圖6 后部大臂的優化應變云圖

從云圖上可以看出，優化后，后部大臂的最大變形為0.09069 mm，在允許范圍之內，后部大臂優化后的三個方向的最大、最小應力的分析結果如表3所示。

表3 后部大臂優化后的受力情況

由表可知，后部大臂優化后，最大應力為2.77 MPa，各項指標均達到滿足了材料強度要求。

3 前大臂靜力學分析

3.1 邊界條件

前大臂的受力情況如圖7所示，圖中F3是碼垛機器人在做整體回轉運動時的慣性力，取F3＝130 N.F1和F2是碼垛機器人末端執行器傳遞過來的力，取F1=260 N，F2=0.

圖7 前大臂受力示意圖

3.2 分析結果

前大臂采用同樣的分析方法，獲得應變、應力云圖，如圖8、9所示。前臂最大應變為0.089 65 mm，在允許范圍之內；而最大應力為5.03 MPa，遠遠小于許用應力。因此，前臂在該工況條件下能安全運行。

圖8 前臂應力云圖

圖9 前臂應變云圖

4 結論

運用三維建模軟件和ABAQUS對白酒包裝自動碼垛機器人的主要部件進行靜力學分析，并根據分析結果對碼垛機器人的結構進行優化，得到如下結論：

（1）在該工況條件下，前臂和底座的靜剛度均滿足材料力學性能，而后臂的變形量超出了允許的范圍量，導致白酒包裝自動碼垛機器人不能安全運行。

（2）增加后臂的壁厚，顯著提高了其靜剛度，使其最大應變從0.486 4 mm降低到0.090 69 mm，優化效果明顯。

（3）該分析方法對自動碼垛機器人的設計與改進具有一定的指導意義。

[1]王玉蓉.我國啤酒碼垛及設備應用研究[J].湖北經濟學院學報（人文社會科學版），2010，7（7）：65-66.

[2]李倩，劉廣亮，孫潔．碼垛機器人本體結構分析與性能研究[J]．裝備制造技術，2011（1）：4-6.

[3]梅江平，曹家鑫，張新，等.采用SolidWorks的高速重載碼垛機器人的靜力學分析和結構優化[J].現代制造工程，2012（10）：18-22.

[4]張明，何慶中，郭帥．酒箱碼垛機器人的機構設計與運動仿真分析[J]．包裝工程，2013，34（1）：83-87.

[5]莊茁，由小川，廖建暉，等．基于ABAQUS的有限元分析和應用[M]．北京：清華大學出版社，2009.

[6]何慶中，王明超，趙獻丹．基于Solidworks Simulation的碼垛機械末端執行器導桿靜力學分析[J]．四川理工學院學報（自然科學版），2011，24（1）：109-112.

Static Analysis and Structural Optimization for the Liquor PalletizingRobot

LI Jiang
（Sichuan Atlantic China Welding Consumables，INC.Zigong Sichuan 643010，China）

Taking the liquor palletizing robot as the research object，and using SolidWorks to establish the threedimensional model of the rear arm of the palletizing robot.The static structural analysis of the finite element model of the important parts of the palletizing robot was carried out by using the ABAQUS.The strain and stress nephogram of the important components are obtained.According to the results，the structure is optimized.The optimization results show that the deformation of the improved rear arm is reduced from 0.4864mm to 0.09069mm，and the static stiffness of the palletizing robot is increased to meet the material requirements.The analysis method has certain guiding significance for the design and improvement of the palletizing robot.

palletizingrobot；staticstructuralanalysis；structural optimization；finite element analysis；ABAQUS

TS261.3

A

1672-545X（2017）07-0035-03

2017-04-08

李江（1964-），男，四川自貢人，學士，工程師，從事機械設計及制造方面的研究。