基于ANSYS Workbench回轉式抽拉機械手平臺的研究

高小康，李成群，柴起茗，劉 磊，何 磊

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063000；2.唐山晟群科技有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

近年來，隨著我國工業技術的飛速發展，自動化倉庫越來越多地出現在人們的視線中，而堆垛機作為自動化倉庫的運輸工具，對其要求也更加多樣和嚴格[1]。由于倉庫存儲物品的多樣化和復雜化，堆垛機上機械手的取貨方式也逐漸多變起來。目前堆垛機上主要用到的取貨方式為伸縮式機械手，但是其在一些特殊的工作場合不能滿足要求，因此設計了一種不同于伸縮式機械手的機械手結構，即回轉式抽拉機械手。

單立柱堆垛機主要由升降機構、行走機構和抽拉式機械手平臺部分組成。相較于雙立柱式堆垛機，單立柱堆垛機在自動化倉庫的應用范圍更加廣泛，故本文選擇單立柱式堆垛機進行分析[2]。設定的工況條件為：載重120 kg，由于不對機械手平臺進行動力學速度方面的分析，故不對堆垛機工作時的速度進行設定。抽拉式機械手平臺安裝在提升架上，平臺可以通過上下移動來改變起升高度，通過底部的移動行走機構改變橫向位置，最后通過抽拉式機械手平臺存取貨箱。

1 建立機械手平臺模型

回轉式抽拉機械手平臺主要由回轉機構、位移補償機構和支撐平臺組成，在SolidWorks三維軟件中建立堆垛機三維模型，假設存取貨箱的實際尺寸為長600 mm、寬300 mm、高150 mm,板厚2 mm。載貨平臺結構如圖1所示。

載貨平臺上的位移補償由鏈條帶動整體結構進行Y方向的移動；回轉機構由兩組齒輪組構成，鏈條附件上安裝豎直推拉桿機械手。豎直推拉桿一共有兩組，即4個，安裝在回轉機構鏈條上，對稱分布，便于實現對貨箱貨耳的拉取。

工作時，堆垛機中的行走機構和提升機構將機械手平臺送到指定位置，機械手平臺上的機構開始工作，機械手部分通過位移補償機構將取貨機械手靠近貨箱一側，再通過回轉機構拉取貨箱到機械手平臺上，回轉機械手平臺與貨箱之間的接觸部分由耐磨材料構成，然后位移補償機構回到原位,最后通過堆垛機中的提升機構和行走機構將貨箱送到出貨口。

1-貨箱;2-回轉鏈條;3-位移補償機構;4-支撐平臺;5-回轉機械手;6-電機圖1 載貨平臺結構圖

2 載貨機械手平臺靜力學分析

2.1 靜力學理論分析

通常把結構在靜態載荷下受到的作用力稱為靜力，研究這類問題時，可以忽略慣性和阻尼對結構的影響。當結構受到靜態載荷的作用時，結構處于靜力平衡狀態，此時必須充分約束[3]。

2.2 載貨平臺靜力學分析

通過SolidWorks三維建模軟件建立模型，保存為“step”格式，然后再打開ANSYS Workbench軟件，選擇靜力學分析模塊，分別對其進行模型的導入、材料的賦予以及網格的劃分。可將金屬結構賦予結構鋼材料屬性，將耐磨材料設定為橡膠屬性，采用自動網格劃分，共得到21 847個節點、4 951個單元。接著對模型進行邊界約束，固定約束載貨平臺的側面。設定貨箱的載貨質量為120 kg，進而對模型在自身重力和貨箱給的壓力下進行變形量和最大應力分析，得到如圖2和圖3所示的變形云圖和應力云圖。圖2中最大變形量為0.320 9 mm,變形量在誤差允許范圍內；圖3中最大應力為14.949 MPa, 而材料的許用應力為228 MPa，最大應力小于許用應力，故滿足設計要求。

圖2 抽拉式機械手平臺變形云圖

圖3 抽拉式機械手平臺應力云圖

3 機械手平臺模態分析

3.1 模態分析理論基礎

模態分析是研究結構動力學特性的一種最基本的方法，在工程振動領域中的應用比較廣泛，常用于分析機構的自振頻率特性。在每一種模態下，結構都有其固定和特有的頻率以及模態振型，可以評價現有結構的動態特性，避免結構因設計不合理發生共振現象。從中可以認識到結構對動力載荷的響應[4]。

由經典力學理論可知，物體的動力學通用方程為：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}.

(1)

其中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為位移矢量；{F(t)}為力矢量；{x′}為速度矢量；{x″}為加速度矢量。

無阻尼模態分析是經典的特征值問題，動力學方程如下：

[M]{x″}+[K]{x}=0.

(2)

結構的自由振動為簡諧振動，位移為正弦函數,即：

x=Xsin(ωt).

(3)

將式(3)代入式(2)中，得：

([K]-ω2[M]){x}=0.

(4)

3.2 機械手平臺的三維建模和模態分析

由于進行模態分析時，結構零件的細微差別對結果幾乎沒有影響，而在網格劃分過程中會存在一定程度的阻礙，因此將載貨平臺簡化，便于后續對結構進行模態分析。

將建立好的機械手平臺模型保存為“step”格式，打開ANSYS Workbench軟件，選擇模態分析模塊，設置材料為結構鋼，結構鋼默認參數不變，設置完材料后，對模型進行網格劃分，共得到27 847個節點、4 951個單元。再對其施加載荷和約束，對載貨平臺底部施加固定約束，設定情況為不施加任何外力作用下載貨平臺的模態分析，從而得出其空載時的固有頻率和振型圖。表1和圖4分別為機械手平臺前6階模態頻率和前6階固有頻率所對應的振型圖。

表1 機械手平臺的前6階模態頻率

圖4 前6階模態下機械手平臺振型圖

4 結論

(1) 利用三維建模軟件和ANSYS Workbench軟件相結合，對載貨平臺進行了靜力學仿真，從分析結果可以得出，在限定的工況條件下，抽拉式機械手平臺設計合理，為以后節省了大量的設計時間和實驗成本。

(2) 通過ANSYS Workbench軟件，對機械手平臺進行模態分析，得出了前6階模態下機械手平臺的固有頻率以及振型。當堆垛機工作時的頻率與機械手平臺的頻率相同時將會發生共振現象，所以通過分析掌握機械手平臺的前6階頻率，將會在很大程度上避免堆垛機發生共振現象。

(3) 通過對堆垛機機械手平臺的模態分析，掌握了在前6階下的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供了依據。