一種水平關節重載機器人的仿真分析

曹振波 李呼 高世卿 趙亞川 皮景峰

摘 ? 要：本文提出了一種水平關節重載機器人，通過機器人的D-H參數找出了最惡劣工況，并通過對三維模型的簡化、加載、約束、網格劃分、計算和后處理，計算了最惡劣工況下機器人的應力和變形等仿真結果，并進行優化。優化后的機器人應力滿足材料許用應力和安全系數，變形滿足機器人的控制精度要求。該機器人結構更加簡化，節省空間占用，自重輕，自動化程度高，能夠在物料移運領域有更廣泛應用。

關鍵詞：水平關節 ?重載機器人 ?仿真分析

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0099-03

隨著工業的不斷發展，機器人在制造、裝配、航天、汽車、冶金、電子電氣、軍工等領域的應用越來越廣泛，對機器人的負載的要求也越來越高。重載機器人在搬運、上下料、移載等領域的優勢使其使用場合也在逐漸擴大。在使用重載機器人的場合，其負載有以下特點：

（1）尺寸較大，重量較重，需要吊車或其他機械設備移運;

（2）移運為重復性勞動，工人操作設備易疲勞，工作可靠性差;

（3）操作空間受限。

為了滿足上述使用要求，本文提出了一種水平關節重載機器人，并對其進行了受力分析和強度、剛性仿真分析分析。該機器人具有足夠的強度和剛性，能夠滿足移運工作的需要。與現有機器人相比，該機器人結構更加簡化，節省空間占用，自重輕，自動化程度高，期待在物料移運領域有更廣闊的的應用。

1 ?水平關節重載機器人的機械結構

如圖1，水平關節重載機器人包括小臂和大臂。小臂與大臂之間用回轉支承聯接，大臂和大臂支承座之間用回轉支承聯接以大臂支承座為基礎坐標系，則機械臂的DH參數見表1。

因此T矩陣為：

通過Solidworks軟件對大臂、小臂分別進行質量屬性測量，得到：

大臂質量m1=240kg，小臂質量m2=150kg，小臂、大臂最大角速度均為0.175rad/s，小臂、大臂角最大加速度均為0.087rad/s2。當小臂與大臂角速度方向相同時小臂離心力最大。

2 ?仿真分析

水平關節重載機器人仿真分析采用Solidworks軟件的Simulation插件。

第一步，簡化模型。簡化標準如下：

（1）壓縮了非承載件和裝飾件;

（2）壓縮了小的安裝孔和工藝孔;

（3）壓縮了外購件如電機、走線套管等;

（4）用等尺寸圓環代替回轉支承，壓縮了倒角、圓角;

（5）由于機器人大臂、小臂采用焊接成型，根據焊接要求，焊接強度不低于母材強度，因此建模時適當調整模型尺寸，用接合的方式聯接各焊接子件進行分析。

第二步，加載材料。打開要分析的零件，創建算例，選擇“靜應力分析”;設置零件材料為Q235-B。

第三步，加載重力、遠程載荷加載630kg負載重力、加載離心力。在Solidworks Simulation中，可以通過加載離心力的角速度及角加速度方式加載離心力。

第四步，設置零件的“夾具”，將大臂支承座的支承面設置為“固定”約束。加載力及約束圖解如圖2所示。

第五步，設置網格參數，生成網格。采用Solidworks Simulation的網格生成功能自動生成網格。由于主框架為10mm厚鋼板焊接而成，按照有限元分析要求，在型鋼厚度方向上至少要生成2層網格，因此網格參數選擇標準網格，最大尺寸為55，最小尺寸為1.5，雅克比點選擇4點。網格圖解如圖3。

機器人伸直狀態網格，最大單元大小：0.0777828m;最小單元大小：0.0155566m;節總數：318441;單元總數191654。

機器人大臂與小臂呈90°角狀態網格，最大單元大小：0.0643407m;最小單元大小：0.0128681m;節總數：306575;單元總數186065。

第六步：運行分析，得到應力及位移圖解（見圖4，圖5）。根據應力和位移的仿真結果對機器人進行優化，優化后重復第一步到第五步，并重新運行分析，得到的結果如下：

根據有限元分析云圖可以得到，優化后的機器人，伸直狀態下最大應力95.30MPa，最大變形1.048mm;大臂和小臂呈90°角狀態下最大應力97.30MPa，最大變形0.9278mm。小臂電機安裝孔內為受力最惡劣的位置。應力分布平滑收斂，計算結果能夠反映實際情況。

根據設計要求，結構安全系數應該取1.5以上，則機器人本體材料至少應當有97.3×1.5 = 146.0 MPa的屈服強度。Q235-B材料屈服強度為235 MPa，滿足要求。實際上，機器人本體的安全系數達到220.6÷97.3=2.42。

根據有限元分析云圖可以得到，優化后的小臂末端是變形最大的位置，最大變形量1.048mm。按照設計要求，整體最大變形量不超過2mm，滿足要求。

3 ?結語

本文針對一種水平關節重載機器人，提供了一種與傳統方式不同的方案，與傳統方式相比，設備更加簡化，節省空間占用，自重輕，自動化程度高。

本文對上述水平關節重載機器人進行了有限元分析與校核，通過有限元分析得知，該機器人在最惡劣工況下能夠滿足使用要求，設計合理。期待這種水平關節重載機器人能在物料移運領域得到廣泛應用。

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