采用SolidWorks的高速重載碼垛機器人的靜力學(xué)分析和結構優(yōu)化

　　以所設計的一種四自由度高速重載碼垛機器人為研究對象，建立其簡(jiǎn)化三維模型。采用機械仿真設計軟件Solid-Works Simulation 工具首先對模型中零件底座、末端執行器進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據分析結果優(yōu)化其結構，然后對整機在最大載荷情況下的幾個(gè)典型位姿進(jìn)行分析，得到整機在工作空間內的應力、應變和位移云圖，并進(jìn)一步優(yōu)化桿類(lèi)零件壁厚。對零件的優(yōu)化提高了碼垛機器人的靜剛度和動(dòng)力學(xué)性能，通過(guò)對整機的分析得到了碼垛機器人在工作空間內的靜剛度分布特性，為碼垛機器人的設計提供了參考依據。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)機械自動(dòng)化水平和勞動(dòng)力成本的不斷提高，高速重載搬運機器人在各類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)上已得到了廣泛應用。尤其是產(chǎn)品碼垛工序，機器人以其在適用范圍、靈活性、成本以及維護等方面的優(yōu)勢使其應用越來(lái)越廣泛，并成為一種發(fā)展趨勢。在這種形勢下，杭州娃哈哈集團有限公司與天津大學(xué)等單位共同研發(fā)了一種用于產(chǎn)品碼垛的高速重載搬運機器人。該機器人最大抓取重量為300kg，搬運能力為800 次/小時(shí)，位置重復精度為±0. 5mm。整機主要由底座、大臂、前臂和末端執行器四個(gè)關(guān)節組成，能實(shí)現四種運動(dòng): 底座旋轉、大臂前后運動(dòng)、前臂上下運動(dòng)和末端執行器的回轉運動(dòng)，即四個(gè)自由度。在結構上的特點(diǎn)為: 包含三個(gè)平行四邊形結構，其中大臂外側的平行四邊形機構Ⅰ，在保證前臂和前臂驅動(dòng)臂具有相同轉速的同時(shí)可將電動(dòng)機安裝在底座上，使機器人的動(dòng)力學(xué)性能得到改善; 另外兩組耦合平行四邊形機構Ⅱ、Ⅲ起到保持末端執行器水平姿態(tài)的作用。碼垛機器人機械結構簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

　　在設計研發(fā)機器人階段，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析是必不可少的步驟。通過(guò)靜力學(xué)分析，可以得到機器人在外力( 力矩) 作用下的應力、應變及位移分布，根據分析結果能夠清楚地了解設計中存在的缺陷及結構中出現的薄弱環(huán)節，并據此進(jìn)行優(yōu)化設計。本文借助機械仿真設計軟件SolidWorks Simulation 工具，對該碼垛機器人的主要構件和整機典型位姿進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據分析結果對部分零件機械結構進(jìn)行優(yōu)化設計，得到了整機在最大載荷情況下工作空間內的靜剛度分布特性，并進(jìn)一步優(yōu)化大臂、前臂壁厚，最終達到提高其整機末端靜剛度、位置精度和動(dòng)力學(xué)性能的目的。

　　本文對碼垛機器人主要構件和整機進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并根據結果做出結構優(yōu)化，得到如下結論。

　　1) 對于底座和末端執行器這種形狀不規則的零圖16 整機末端最大位移隨壁厚變化的關(guān)系曲線(xiàn)件，根據應力、應變分布云圖，在正確位置增加筋結構可以顯著(zhù)提高其靜剛度。

　　2) 碼垛機器人的末端靜剛度隨其在工作空間內的不同位姿而發(fā)生變化。在最遠端附近靜剛度最小，最近端附近靜剛度最大。

　　3) 綜合考慮節省材料和碼垛機器人末端位移最小，優(yōu)化大臂、前臂壁厚為18mm。