高位碼垛機抓手夾包板的輕量化

程相文，殷海桐，周 勇，王 成

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063200)

0 引言

碼垛機抓手機構的夾包板在物料碼垛過程中起著重要作用，很大程度上避免了抓手轉包過程中物料因慣性力而被甩出抓手的現象[1,2]。

輕量化是當前機械結構優(yōu)化設計的重要發(fā)展方向[3,4]。對碼垛機抓手進行輕量化，可以極大地降低碼垛過程的功耗，提高碼垛效率。因此，本文以碼垛機抓手的夾包板部件為例進行了基于ANSYS/Workbench的靜力分析與輕量化設計。

1 夾包板結構靜力分析

1.1 夾包板結構三維模型

采用CREO三維建模軟件建立了夾包板的三維模型，如圖1所示。

圖1 夾包板三維模型

1.2 夾包板靜力分析

將夾包板三維模型導入ANSYS/Workbench中，新建材料命名為6061_t6，編輯其相關屬性，并將此材料屬性賦予夾包板。6061_t6材料的相關屬性如表1所示。

表1 6061_t6的材料屬性

之后進行網格劃分，網格劃分采用六面體網格，六面體網格相對四面體網格計算結果更加精確。在約束和施力位置細化網格，最終夾包板三維模型共計劃分節(jié)點數172 546個、單元數39 784個。夾包板有限元模型如圖2所示。

夾包板與飼料袋接觸區(qū)域受力，因此在DesignModeler中將夾包板實際受力區(qū)域拉伸一印記面，作為固定約束；兩個滑動軸承孔處施加沿z軸方向的移動副約束。夾包氣缸內徑63 mm，活塞桿直徑20 mm，經查閱氣缸供應廠家選型材料可知，在0.3 MPa的工作壓力下，其拉力為841 N，施加于螺栓孔處，如圖3所示。

仿真得到的夾包板應力和變形云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，夾包板的最大應力為40.215 MPa，總變形為0.282 mm。

1-印記面固定約束；2-沿z軸移動約束；3-沿z方向載荷841 N

圖4 優(yōu)化前夾包板靜力分析結果

6061_t6合金材質的屈服強度為276 MPa，取安全系數為2.5，則許用應力為110.4 MPa，根據設計要求，最大變形需小于0.7 mm，因此，夾包板存在較大的輕量化空間。

2 夾包板結構改進

對夾包板進行結構改進。在夾包板上添加減重孔，孔洞形狀設定為正方形，邊長尺寸為20 mm，夾包板板厚為8 mm。對結構改進后的夾包板進行靜力分析，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，采用正方形減重孔的夾包板所受應力最大為54.167 MPa，最大變形為0.341 mm，相比優(yōu)化前有所增大，但在允許的范圍內，且存在進一步優(yōu)化空間。下面以正方形減重孔的邊長和夾包板板厚為參數進行優(yōu)化[5]，目的是在夾包板的強度和剛度的約束范圍內合理配置其尺寸參數，達到減重效果。

圖5 結構改進后夾包板靜力分析結果

3 夾包板的尺寸優(yōu)化

對夾包板進行尺寸優(yōu)化，設正方形孔洞的邊長為DS_1，夾包板厚度為DS_2，最大變形為P3，最大應力為P4，質量為P5，采用Design Exploration模塊進行優(yōu)化[6,7]，根據拉丁超立方法創(chuàng)建的9個試驗樣本點如表2所示。

表2 夾包板設計樣本點

通過對試驗設計樣本點的求解，采用標準二階多項式響應面擬合輸入參數DS_1、DS_2和輸出P3、P4、P5之間的關系，如圖6所示。

從圖6可以看出，正方形孔洞的邊長大小對夾包板最大變形和最大應力的影響不明顯，對質量影響較大；夾包板的厚度對夾包板的最大變形和最大應力影響較大，對質量影響相對不明顯。圖7是響應面近似模型的擬合效果曲線。

圖6 夾包板響應面模型

從圖7可以看出，標準二階響應面的擬合效果較好，與設計觀測值基本相符。之后選擇遺傳算法進行優(yōu)化，最終得到的優(yōu)化候選點如表3所示。

圖7 擬合優(yōu)度曲線

由表3可以看出，候選點1的優(yōu)化質量最小，選取候選點1為最終優(yōu)化結果。最后對優(yōu)化結果進行驗證，優(yōu)化后夾包板靜力分析結果如圖8所示。

表3 優(yōu)化候選點

從圖8可以看出，優(yōu)化后夾包板的最大應力為81.622 MPa，最大變形為0.658 mm，最大應力和變形均在要求的范圍內。夾包板初始重量為3.828 kg，優(yōu)化后為2.057 kg，減重46.2%。

圖8 優(yōu)化后夾包板靜力分析結果

4 結論

采用Topology Optimization和Design Exploration模塊對碼垛機抓手的夾包板進行了結構改進和尺寸優(yōu)化，使其總體質量大大減輕，提高了材料利用率，輕量化效果明顯，在一定程度上降低了碼垛機抓手的功耗，實現了輕量化的目的。