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機器臂懸臂支撐結構的優化設計

2016-11-23 來源：上海海事大學商船學院作者：李震邦（bāng）徐思豪徐鴻兵

摘要:針對（duì）自動化流水線中安裝數控機器（qì）臂的懸臂支撐結構，建立相關模型並進行有限元建模（mó）與靜力學計算，求得懸臂支撐結構的變形特點。通過計算得（dé）到機器臂手臂末端位移提出（chū）了優化方案並進（jìn）行（háng）計算分析，為相類似的機器（qì）臂懸臂支撐結構的設計提（tí）供（gòng）了有益的參考（kǎo）。

關鍵詞:懸（xuán）臂支（zhī）撐結構；剛度改良（liáng）；有限元計算

在工業流水線（xiàn）工作過程中，許多（duō）崗（gǎng）位過分依靠（kào）工人的體力和技能，具有勞動強（qiáng）度大、生產效率低、工人技術不熟練等幾大難題，嚴重影響產品的穩定性和一致（zhì）性，阻礙了相關行業自動化程度的提高。因此迫切需要一種新的方式來進行更快更好的加（jiā）工，數控（kòng）機器人應運而（ér）生。目前在（zài）各大製（zhì）造業（yè）自動化生產流水線上，數控自動化機器臂（bì）的應用（yòng）越來越（yuè）廣。然而機（jī）器臂工作載荷複雜，對於其懸臂支（zhī）撐結構會（huì）造成各向的彎扭變形。因此應該（gāi）將變形（xíng）量控製到一定範圍以內保（bǎo）證支撐結構的剛度（dù）以滿足機（jī）器臂的（de）正常運轉。

本文以某汽車製造流水線的機（jī）器臂鋼結構布置方案為研究對（duì）象，通過有限元分析（xī）軟件進行靜力學分析求得該結構布置（zhì）方案中支撐結構的變形特點，並提出改良的方案。

1.整體鋼（gāng）架結構的初（chū）始設計

本文選取某（mǒu）廠（chǎng）區內生產流水線中的局部鋼結（jié）構進行有限元建模（mó）分析。為了更好的分析與研究懸臂支撐結（jié）構其自身以及下部的（de）支撐結構的結構（gòu）特點，分別對裝載機（jī）器臂的懸臂支撐結構，以（yǐ）及（jí）整體鋼架結構兩部分進（jìn）行分析。

機器臂懸（xuán）臂支撐結構由兩（liǎng）根400x400x16mm 的方鋼通過連接部（bù）分厚為16mm 的斜板焊接而成。有限元（yuán）單元使用shell 殼單元尺寸取（qǔ）100x100mm。使（shǐ）用MSC.Patran 中MPC 多點約束單（dān）元模擬機器臂3.4 米最大臂展距離。MPC 單元是將機械臂作為（wéi）一剛體考慮，忽略機（jī）械臂自身的變形，並將機械臂的質量過度至機械臂的支撐（chēng）結構上。此外同樣使用多點約（yuē）束（shù）將截麵聯接（jiē）至其幾何中心以模擬連接機器臂的法蘭接（jiē）頭，以此將（jiāng）機械臂（bì）正常運轉過程中（zhōng）的載（zǎi）荷過度至支（zhī）撐結構上。模型對螺（luó）栓連接等局部細節進行了適當簡化。建模材料（liào）選取普通碳素鋼，其彈性模（mó）量取206000MPa, 泊鬆比取0.3，密度取7.85x103kg/m3。懸臂支（zhī）撐結構安（ān）裝在底部兩根板厚為16mm 的箱型梁上，並在對應支撐結構位置下方設有凸台。考慮機器臂布置的不對稱，支撐結構互相之間的影響，以及避免距離（lí）約束（shù）端過近影響結果等原（yuán）因，建立6 個懸臂支撐結構的局部模型。

2.加（jiā）載工況與（yǔ）約束並（bìng）計算

在不考慮機器臂（bì）重（chóng）量造成的初始位移情況（kuàng）下（xià），根據機器臂生產（chǎn）廠商的相（xiàng）關數據已知機器臂運轉過程中最危險工況（kuàng）如下：

在上述（shù）有限元（yuán）模型中，對鋼結構底端的8 個樁腿進行全約束（shù）。對於單體的懸臂支撐結構其約束取結構下表麵所（suǒ）有節點。

表1 計算結（jié）果匯總（單位:mm）

由於在實際工況中（zhōng），整體結構布置在x 方向上（shàng）有其他（tā）的約（yuē）束條件，因而在（zài）選取6 支柱有限元模型中位於中間的兩個懸臂支撐結構變形（xíng）較大的一個做為研究對（duì）象。

表2 懸臂支撐結構底麵變形量（單位：mm）

其中懸臂支撐結構底端（duān）B 點為（wéi）一基（jī）座麵，根（gēn）據組成該麵的25個節點的各方向的位移分量，得出基座麵中最大位移值（B max）和整個基座麵平均位移值（B avg）。並根據x,y 方向中點位置的節點位移分量的相對差分別求出在x,y 方向的偏轉角Rx,Ry。可以明顯的（de）看出倒L 型的懸臂支撐結構為（wéi）一典型的懸臂梁結構，由於約（yuē）束端與受（shòu）力點跨度較大，其彎扭變形（xíng）較大。總體變形趨勢是在yz 平麵內的（de）彎曲變形以及在z 軸方（fāng）向上的扭轉。機器臂工作載荷通（tōng）過懸臂梁傳遞（dì）至底部鋼結構上，而底部鋼結構的（de）主要支撐作用是通（tōng）過兩根x 方向（xiàng）上連續的（de）箱型梁提供的。在變形圖中可以明顯的（de）看出底（dǐ）部結（jié）構中箱梁與懸臂支撐結構下方的（de）凸台一（yī）起發生（shēng）了向內的扭轉（zhuǎn）變形。

可以看（kàn）出，要限製懸臂（bì）支撐（chēng）結構的變（biàn）形需（xū）要提（tí）升底部鋼結構在x 軸（zhóu）方向上（shàng）的抗扭性。根據工作要求，需要將機器（qì）臂手臂末端N 點位移限製在3mm以內。如果懸臂支撐結構再加厚（hòu），使得其板厚超過16mm 將不利於裝配與采購（gòu），添加加強筋也並不（bú）經濟（jì），現針對整體鋼結構的改良方案進行計（jì）算分析。

3.改良方案

對底部鋼結構增加y 向連接件，提供額外的約束。並適當（dāng）減低箱型梁厚度至10mm。其中，在懸臂支（zhī）撐結構下（xià）方凸台的後方增加兩道2x90x8/175x5mm 的工字（zì）鋼，其跨度為2.4 米（mǐ），具體形式以及約束見下圖。

改良方案整體有限元模型

方案改良結果如下。

表3 改良前後N,O 點位移（yí）分量（單位：mm）

由於優化方案旨在通過加強懸臂支撐結構底（dǐ）部來提升整體的結構剛度，因此就基座B 點位置處（chù）進行（háng）數據對比。

表4 改良前後B 點位移分量（單位：mm）

由計算結果可以（yǐ）看出，改良結構後N 點的總變形量得以下降近40%左右。而對於基座B 點的總變形量可以降低近90%。其中可以看到Uy 與Uz 的變（biàn）形量下降的很多，主要是由於該結構能夠極好的限（xiàn）製箱型梁在x 軸方向（xiàng）上的扭轉，從而控製懸臂支撐結構底座（zuò）B 點的位移。而由於箱型梁本身壁厚的減小（從16mm 降低到10mm），使得懸臂支撐結構在（zài）x 軸方向上的彎曲變形稍稍增大了一些。

4.結論

本文以某汽車製造流水線的機器臂（bì）鋼結構布置方案為研究對象，通過MSC Patran&Nastran 大型通用（yòng）有限元分析軟件進行靜力學分析求得該（gāi）結（jié）構布置方案中支撐結構（gòu）的變形特點，此外也通過有限元軟件模擬得出結構會對機械臂精度產（chǎn）生（shēng）的位移的精確解。對生產商（shāng）控製（zhì）機械臂工作精度有著極大的幫助。此外本文（wén）還（hái）對結構改良的方案（àn）進行研究，提出了結構（gòu）及剛度的優化方案。

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