經軸上落機器人空軸機構設計與分析

陳威望+劉漢申+張洪

摘 要：闡述了機器人的機械結構及工作原理，設計出雙層貨叉機構執行空軸上軸并對其工作原理做出詳細分析。首先利用理論力學計算出貨叉的幾何尺寸范圍，再結合整經機生產過程的工藝要求，確定雙層貨叉的具體外形尺寸，并利用ANSYS Workbench軟件對貨叉受力最大位置進行仿真分析，找到最大形變、應力和應變值。本設計為實際生產提供理論支持。

關鍵詞：整經機；經軸；機器人；雙層貨叉；ANSYS Workbench

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.036

隨著紡織行業的發展，紡織車間里自動化生產程度日益提高，整經作為織前準備的一道重要工序，其運輸和上落目前還是由人工進行操作，自動化程度低、費時費力[1]。因此整經機經軸上落運輸機器人的研發，為紡織行業無人化車間的實現奠定了一定的基礎。

1 經軸上落機器人整體機械結構和工作過程

如圖1所示，為經軸上落機器人的整體結構示意圖，為實現滿軸落軸、空軸上軸的一體化，機器人采用上下結構。相對質量較小的空經軸布置在上部。滿軸質量較大，置于機器人底部。機器人工作過程：當機器人裝載好空軸運動到整經機車頭前指定位置，此時空軸在提升托臂3和雙層貨叉機構5的配合下停留在如圖A位置。經紗卷繞完畢，空置的滿軸上落小車9由B位置沿著滿軸上落小車軌道11運行到整經機車頭前D位置并把滿軸自動裝載到小車上，小車沿著軌道退回到B位置。滿軸落軸完成后，提升電機4控制提升托臂把空軸從位置A點降到位置C點，空軸由C位置運送到D位置，完成上軸，貨叉縮回。隨后機器人運送滿軸至滿軸庫，完成卸載后，回到待機點為下次上落經軸做準備。

2 經軸上落機器人貨叉機構工作原理

為節省機器人的空間占用，盡可能在設計時使結構簡單，并使空軸在上落時前后伸縮平穩，貨叉機構采用齒輪齒條直線差動機構的工作原理[2-3]。貨叉機構工作原理：如圖2所示，下層貨叉固定在提升托臂上，齒輪2和伺服電機4裝配后安裝固定在下層貨叉7上，齒條3安裝在上層貨叉1上，空軸托臂11安裝在上層貨叉1的前端用來拖取空軸10。當貨叉工作時，伺服電機4上的齒輪2傳動齒條3實現上層貨叉1的前后伸縮，與提升托臂配合工作實現空軸的上軸。

3 經軸上落機器人貨叉機構計算與有限元分析

3.1 雙層貨叉尺寸計算

由上述兩個公式可得到與關系式，因伺服電機安裝在上層貨叉和下層貨叉之間并固定在下層貨叉上（如圖2所示），雙層貨叉上下面之間需要一定空間，經分析托起空經軸的力主要由上層貨叉兩邊的鋼板來承受，因此取為15mm，為150mm。

3.2 雙層貨叉的有限元分析

（1）建立雙層貨叉模型。結合雙層貨叉的特點，本文采用Solidworks 軟件建建立雙層貨叉的三維模型。主要分析雙層貨叉前伸長度最大時變形情況，因此設定貨叉前伸最大長度為初始狀態。為了縮小計算時間，對該模型進行簡化處理[5]。忽略次要特征，例如托臂倒角、圓角、連接螺栓等，雙層貨叉上安裝的齒條和電機也忽略。

（2）材料特性及網格劃分。雙層貨叉的鋼材材料采用Q235-B。有限元中均采用標準單位，雙層貨叉的設計單位為mm，因此對其材料屬性的單位進行換算，泊松比取0.3，彈性模量取2.0e5MPa，屈服強度為235MPa。本文采用自由劃分和映射劃分并用的方法，規則的結構采用自由劃分網格，不規則的采用映射劃分網格，使分析更加準確可靠[6]。本次有限元分析的目的是得到雙層貨叉托取空軸時最大伸長處的應力應變。雙層貨叉的有限元模型共包括108406個節點，53013個單元。有限元模型如圖4所示。

（3）計算結果分析。雙層貨叉托取空軸時，只有上層貨叉前后伸縮運動，因此將下叉看做固定面?？蛰S質量為160Kg，為保證雙層貨叉在實際應用中的安全性，設計托臂最大載荷為240Kg（安全系數取1.5倍）。經過有限元求解，如圖4得到雙層貨叉的應力云圖、y軸位移云圖。

從以上分析可知，圖4中云圖最大應力是72.9MPa，小于許用應力235MPa；圖4中最大應變為0.52mm，小于L/1000=1mm。因此雙層貨叉機構滿足工程要求。

4 結論

本文通過對整經機經軸上落機器人的整體結構及工作過程進行簡要介紹，主要對空軸上落機構中的雙層貨叉的設計做了詳細介紹。并應用ANSYS Workbench軟件對貨叉的應力、應變和總變形量進行分析計算，得到了最大托臂的最大應力、應變和形變，為雙層貨叉設計的可行性提供了理論依據。

參考文獻：

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[3]程軍紅，梁睦等.齒輪齒條直線差動行程增倍機構的設計與應用[J].機械傳動，2005（04）：73-74.

[4]孫國鈞，趙社戌.材料力學[M].上海：上海交通大學出版社，2015：3.

[5]王晶，神會存，汪友剛.三輪摩托車車架的有限元分析[J].中原工學院學報，2010（05）：22-25.

[6]寧波，呂志軍，婁文斌.基于AnsysWorkech的堆垛機機構分析與優化[J].機械設計與制造，2012（06）：71-73.

作者簡介：陳威望（1987-），男，在讀研究生，主要從事新型紡織機械方向的研究。endprint