基于ANSYS的一種水泥插袋機械手的靜力學分析

周蕓夢　羅扉　曹貝貝

摘? 要：文章分析的水泥插袋機械手臂是一個相對比較復雜的機械結構系統。結合插袋機械手臂的結構特點和工作情況，為了保證機械手臂的可靠性和耐久性，使用ANSYS軟件對其進行分析，得到基于最大載荷狀態下，機械手各位姿的機械結構強度以及基于最大負載情況下的機械手結構系統的疲勞壽命。

關鍵詞：機械手;靜力學分析;壽命評估

中圖分類號：TP241? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0082-04

Abstract： The cement pocket manipulator analyzed in this paper is a relatively complex mechanical structure system. According to the structural characteristics and working conditions of the cement pocket manipulator， in order to ensure the reliability and durability of the mechanical arm， it is analyzed by using ANSYS software， and the results are based on the maximum load. The mechanical structure strength of each posture of the manipulator and the fatigue life of the manipulator structure system based on the maximum load.

Keywords： manipulator; static analysis; life assessment

前言

水泥包裝生產過程中需要將水泥袋插入灌裝機噴嘴處，目前國內這一環節的工作仍由人工完成。長期高粉塵條件下的工作，使得許多插袋操作工人患上呼吸系統疾病;由于水泥生產效率不斷提高，人工方式插袋已經不能滿足現階段自動化生產的需求。水泥插袋機械手具有可靠性好、穩定性好、自動化程度高的特點，可解決水泥包裝過程中插袋環節仍依賴人工的窘境。

本文以一種水泥插袋機械手為研究對象，通過有限元仿真軟件ANSYS對其進行靜力學分析并對其壽命進行評估。

1 插袋機械手臂結構靜力學分析

根據插袋機械手的結構設計特點，采用保守性數值分析思路進行機械手靜力學分析。筆者假設水泥灌裝過程中水泥包裝機壓板壓緊水泥袋，機械手為輔助夾持狀態運行的情況來建立模型。根據SHHYW-C 系列水泥包裝機的參數，包裝機出料嘴數為8，裝袋能力為80-120T/H。計算可知最大工況下，每個出料嘴每秒鐘灌裝水泥約為5kg。在模型建立時，采用的是實體建模，關鍵部位網格細化，實體網格，優化結構，這樣做不會影響分析結果，也可以保證計算準確。由于本次設計的機械手臂結構較為復雜，擬對運行過程中兩個受力最大位姿進行分析。

根據水泥灌裝的勻速動態載荷的特點，機械手承受的外載荷是F=ma的穩態動載荷，針對載荷特點機械手系統的結構強度有限元分析采用最大穩態動載荷fmax=ma=M/Tmin的結構靜力學分析方法。

1.1 插袋機械手第一位姿的載荷分析

下面對插袋機械手的第一位姿進行載荷分析，即大臂與地面垂直，小臂和手部水平姿態，建立插袋機械手的三維模型，如圖1所示。

考慮單位時間（1s）最大載荷約束為50N如圖2，對建立好的有限元模型添加約束后進行分析，約束為緊固約束。機械手材料采用性能較好的Q235材料，材料參數如表1所示。

表1 插袋機械手材料參數

根據材料參數和三維模型，可利用ANSYS 建立有限元模型，通過軟件進行分析可得如下結果，如圖3所示。我們可以看出工況下最大應力位置在連接軸附近，最大應力約為3.49MPa，遠低于所用材料的屈服應力值。機械手綜合彈性形變最大值為0.174mm。將機械手所有彈性形變進行矢量疊加，求合得到插袋機械手的總體位移最大值為0.9mm，這一數值在設計的可控范圍之內。經以上分析顯示，插袋機械手第一位姿情況完全符合強度和精度的要求。

1.2 插袋機械手第二位姿的載荷分析

下面對插袋機械手的第二位姿進行載荷分析，機械手的第二位姿進行載荷分析，即大臂、小臂和手部成一水平直線的姿態，建立插袋機械手的三維模型，如圖4所示。考慮最大載荷約束仍為50N如圖5，對第二位姿的有限元模型添加約束后進行分析，約束為緊固約束。

根據材料參數和三維模型，利用ANSYS建立有限元模型，通過軟件進行分析可得如下結果，如圖6所示。我們可以看出第二位姿工況下最大應力點，位置在連接軸附近，最大應力約為3.45MPa，遠低于所用材料的屈服應力值。機械手綜合彈性形變最大值為0.172mm，這一數值在設計的可控范圍之內。經以上分析顯示，插袋機械手第二位姿情況完全符合強度和精度的要求。

2 插袋機械手的壽命評估

在工作過程中，零部件會受到交變載荷的影響，進而出現交變應力，并作用于零部件上。只要力的大小仍小于許用應力，便可繼續使用。而達到隨著工作時長增加，部分位置會產生疲勞現象，可能會出現其部分位置已經損壞，而其力還小于許用應力的情況。根據插袋機械手各關節部位的結構和運動特點，對疲勞可靠性要求較高，現階段設計的對象還不能達到要求。對于機械手的使用年限分析以及其疲勞強度的分析，采用的方式為進行疲勞試驗。而試驗中存在很多缺陷，不僅維護成本較高，對年限分析存在局限性，并且其對機械手的結構損傷較大。本文采用最大結構應力評價準則進行保守型壽命評價。

2.1 插袋機械手第一位姿的壽命評估

將之前建立好的機械手第一位姿有限元模型滿載荷情況下的壽命進行分析，結果如圖7所示。可以看出，結構在最大應力下可運行時間為106小時，屬于高周疲勞結構，結果較好。第一位姿狀態下安全系數最小2.47，說明屬于合格，并且優化了結構。

2.2 插袋機械手第二位姿的壽命評估

將之前建立好的機械手第二位姿有限元模型滿載荷情況下的壽命進行分析，結果如圖8所示。可以看出，結構在最大應力下可運行時間為106小時，屬于高周疲勞結構，結果較好。第二位姿狀態下安全系數最小2.50，說明屬于合格，并且優化了結構。

3 結束語

本文利用有限元軟件ANSYS對插袋機械手三維模型的兩個位置姿態分別進行靜力學分析和疲勞分析（壽命評估）。得到結論如下：（1）插袋機械手的結構設計滿足工況最大載荷情況;（2）經過機械手壽命評估，壽命屬于高周疲勞，能夠滿足工程使用壽命年限。

參考文獻：

[1]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014（09）：1-13.

[2]孫英飛，羅愛華.我國工業機器人發展研究[J].科學技術與工程，2012，4：2912-3031.

[3]Subudhi B， Morris A S. Soft computing methods applied to the control of a flexible robot manipulator[J]. Applied Soft Computing Journal， 2009，9（1）：149-158.

[4]邢靜忠，等.ANSYS分析實例與工程運用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]Insperger T.Stability analysis of periodic delay-differential equations modeling machine tool chatter. Hungary：Budapest University of Technology and Economics， 2002.

[6]崔志琴，楊瑞峰.復雜機械結構的參數化建模及模態分析[J].機械工程學報，2008，44（2）：234-237.