軌道式多臂鑄件清理機器人結構設計與分析

王成軍，邾志偉，郭永存，任潤潤

（安徽理工大學 機械工程學院，淮南 232001）

0 引言

隨著中國制造2025的提出，中國國內制造業不斷升級，各類企業對自動化的要求越來越高，機器換人已經成為推動傳統制造業實現產業轉型升級的重要舉措[1]。國外對于機器人的研究起步較早，1959年美國的英格伯格和德沃爾設計制造出世界上第一臺工業機器人，1962年美國通用汽車公司將第一臺示教工業機器人投入使用[2]。近年來，機器人的研究有了新的發展，國外PINHAS等[3]提出一種由并聯移動平臺和串聯操作手臂構成的新型混聯機器人；國內張志強等[4]提出一種能實現3T-1R運動的混聯碼垛機器人應用于包裝生產線。

在鑄件生產過程中，經常需要搬運并調整鑄件的姿態，以及完成對鑄件的各種清理作業[5]。飛邊、毛刺的清理打磨是工業機器人的一個重要應用領域[2]。目前，大多數鑄件的清理工作仍主要依靠手工工具和風沖、風鏟、高速手提式砂輪、懸掛砂輪等半機械化工具完成。少數企業嘗試采取機器人替代人工作業，采用串聯式單臂機器人單機或多機作業，無法滿足大重量、大體積和復雜異形鑄件的搬運、調姿及清理作業需求[6]。

針對現有技術存在的不足，基于機器人機構拓撲結構設計理論，設計出一種混聯且多臂執行部為變胞結構的鑄件清理機器人，結構更加靈活，可以滿足大重量、大體積和復雜異形鑄件的搬運、調姿及清理作業需求，自動化程度高。根據拓撲結構理論計算并聯工作臂的自由度，運用ANSYS Workbench軟件對鑄件清理機器人進行靜力學分析和優化設計，驗證結構設計的合理性。

1 鑄件清理機器人總體方案設計

1.1 鑄件清理機器人結構組成

鑄件清理機器人主要由行走裝置、回轉裝置、升降裝置、多臂執行部和末端執行器組成，如圖1所示。其中行走裝置用于驅動機器人整體沿著外環形軌道和內環形軌道移動行走，由外輪架、內輪架、驅動輪、支承輪、導向輪、張緊輪和吊架組成；回轉裝置用于回轉裝置以下部分繞軸線旋轉，由回轉法蘭、回轉座、回轉筒體、回轉體、回轉電機和主動齒輪組成；升降裝置用于機器人在垂直方向的升降；多臂執行部由工作臂安裝座、第一工作臂、第二工作臂、第三工作臂和第四工作臂組成，可更換末端執行器實現不同的功能。

圖1 鑄件清理機器人總體結構簡圖

1.2 工作原理

根據鑄件清理工作的要求，作業時，先啟動驅動輪內的驅動馬達，進而驅動行走裝置在環形導軌上移動行走至指定作業位置，再根據作業姿態和高度要求分別調整回轉裝置和升降裝置，調整四條工作臂至合適的回轉角度和作業高度，根據鑄件的重量、體積大小選擇搬運鑄件所需氣動手爪的數量。通過調節伺服減速電機可實現各工作臂上末端執行器的姿態調整。四條工作臂聯合作業，可滿足大重量、大體積和復雜形狀鑄件搬運和清砂、切割、拋光打磨等清理作業的要求，進而提高鑄件清理的作業效率和質量，降低操作人員的勞動強度和生產成本。

2 機器人工作臂的設計

2.1 并聯工作臂的結構設計

在鑄件清理機器人實現鑄件清理工作任務時，需要完成鑄件清理的所有工序，包括鑄件搬運和清砂、切割、拋光打磨等；當鑄件清理機器人在執行鑄件抓取、搬運任務時，多臂執行部與鑄件構成一個并聯機構。軌道式多臂鑄件清理機器人的工作臂由工作臂安裝座、第一工作臂、第二工作臂、第三工作臂、第四工作臂、工業攝像頭、肩部電機、大臂電機、小臂電機、帶傳動裝置和末端執行器組成，用于實現鑄件清理機器人的清理作業，如圖2所示。

圖2 機器人臂部結構示意圖

2.2 并聯工作臂自由度計算

根據機器人機構拓撲結構理論[7]，鑄件機器人的多臂執行部工作臂的拓撲結構為：當鑄件清理機器人在執行鑄件抓取、搬運任務時，多臂執行部與鑄件共同構成一個并聯機構，其中鑄件充當動平臺，靜平臺為工作臂的頂部安裝法蘭，其拓撲結構為：

鑄件清理機器人在執行鑄件表面打磨、清理等作業任務時，要求工作空間大，需采用串聯結構方式，而進行大型鑄件搬運及姿態調整作業時，機器人負載大，則需采用并聯結構方式來滿足作業任務的要求，并聯工作臂的機構原理圖如圖3所示，其中R表示轉動副。

圖3 機器人并聯工作臂機構原理圖

結合串、并聯機器人結構的優點，設計了一種混聯結構的鑄件清理機器人，該鑄件清理機器人機構拓撲結構為：

學齡前兒童一般指3～6歲未達到入學年齡的兒童，此階段的兒童極易受到事物顏色、性狀、動作等一系列特征的吸引，特別是現代社會處于電子化生活中，成人沉迷于電視、電腦、手機等設備，使得兒童也過多的關注這些電子設備，長時間的近距離操縱，眼部肌肉得不到放松出現眼部疲勞[5-6]。除了這些不良用眼習慣外，先天因素、早產及出生低體質量等兒童自身因素也可造成視力異常，因此視力篩查對兒童的健康成長有著重要的意義。相關研究[7]顯示，學齡前是兒童視力發育的關鍵期和敏感期，學齡前是視力異常兒童治療的最佳時期，因此學齡前兒童視力篩查意義重大。

同時，還將鑄件清理機器人的多臂執行部的機構設計成一種變胞結構，即結構和自由度可變。

式中：t3表示末端構件存在三維移動，r3表示在平面內存在三維轉動，Mbi表示第i條支鏈末端構件的POC集[8]。

第一、二條支鏈組成的子并聯機構動平臺的POC集為：

設第二個獨立回路的獨立位移方程數ζ2，則第二個獨立回路的獨立位移方程數為：

第一、二、三條支鏈組成的子并聯機構動平臺的POC集為：

則并聯工作臂的自由度為：

式中：F是并聯機構的自由度，fi是支鏈中運動副的自由度，由于每條支鏈中運動副的自由度相同，故fi=5。

由式(9)可知，作為并聯工作臂動平臺可實現沿X、Y方向的平移和繞X、Y方向的轉動，共有4個運動自由度，并聯工作臂與回轉裝置、升降裝置構成一個3平移3轉動的6自由度混聯機構。

2）當R11.R21，R31.R41，R12.R22，R32.R42且R11與R31，R12與R32為任意關系時，同上計算可知，并聯工作臂有2個運動自由度，鑄件清理機器人有4個運動自由度，其POC集為多臂執行部具有空間的三平移一轉動。

3 靜力學仿真分析與優化

運用ANSYS Workbench對鑄件清理機器人抓取鑄件時應力和變形進行分析和優化，將鑄件清理機器人三維實體簡化模型導入Workbench中，設置模型材料參數、劃分網格、添加約束和載荷[9]，最后，計算求解應力和變形。

3.1 仿真分析

鑄件清理機器人整體結構選用鋁合金7050，其材料參數如表1所示。

表1 鋁合金7050材料基本參數

采用全局網格控制和參數設置方式，在Mechanical界面中對鑄件清理機器人整體進行網格劃分，網格單元尺寸設置為5mm，將Relevance設置為100，提高網格密度，將Relevance Center設置為Fine，得到739808個節點，405970個單元，網格質量較好。結合鑄件清理機器人實際工作狀況，在軌道上端施加固定約束Fix Support，同時取極限載荷為100kg。

對鑄件清理機器人進行靜力學求解計算，通過添加Total Deformation和Equivalent stress查看機器人結構的整體變形和應力分布情況，如圖4所示。

圖4 機器人整體變形和應力分析結果圖

從圖4可以看出鑄件清理機器人的整體最大變形量為9.5084mm，最大等效應力為1915.2MPa，鑄件清理機器人的變形量和最大等效應力過大，無法滿足抓取作業時的工作需求，需要對鑄件清理機器人進行設計優化[10]。通過分析發現最大變形部位在連接架和安裝座，變形量云圖如圖5所示。

圖5 機器人關鍵部位分析結果圖

3.2 優化設計

由圖5可知，連接架和安裝座出現較大的變形，影響機器人工作精度，為了降低位移變形和最大等效應力，在安裝座上增加橫向加強筋，同時減小安裝座中間的工藝孔尺寸；增加連接架的厚度，最后對連接架和安裝座部分尺寸進行優化[11]。將優化后的三維實體簡化模型重新計算求解，得到鑄件清理機器人整體變形量和最大等效應力結果如圖6(a)、圖6(b)所示，連接架和安裝座變形量如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖6 優化后機器人整體變形和應力分析結果圖

圖7 優化后機器人關鍵部位分析結果圖

根據優化后仿真分析結果圖6、圖7可以得出，鑄件清理機器人整體最大變形量從9.5084mm降低到1.1742mm，最大等效應力從1915.2MPa降低到413.56MPa，連接架的變形量從3.4068mm減少到0.053864mm，安裝座變形量從6.3118mm減少到0.20604mm。優化后的鑄件清理機器人結構設計更加合理，為相關數據的設計提供了依據[12]，在完成鑄件的抓取作業任務同時，也提高了鑄件清理機器人工作的定位精度和穩定性。

4 結論

1）針對現有鑄件清理技術的不足，基于機構拓撲結構理論設計一種混聯且多臂執行部為變胞結構的鑄件清理機器人，該機器人能夠克服現有鑄件清理機器人存在的技術缺陷，結構更加靈活，可以滿足大重量、大體積和復雜異形鑄件的搬運、調姿及清理作業需求，自動化程度高。

2）運用ANSYS Workbench軟件對鑄件清理機器人進行靜力學分析，得到機器人在極限載荷下應力、變形云圖和關鍵部件的變形云圖，對不合理部分進行了結構和尺寸優化，從而得到滿足工作需求的鑄件清理機器人結構，為鑄件清理機器人樣機的設計與制造提供了依據。