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 徐思豪 徐鴻兵
摘要:針對自動化流水線中安裝數控機器臂的懸臂支撐結構，建立相關模型并進行有限元建模與靜力學計算，求得懸臂支撐結構的變形特點。通過計算得到機器臂手臂末端位移提出了優化方案并進行計算分析，為相類似的機器臂懸臂支撐結構的設計提供了有益的參考。
關鍵詞:懸臂支撐結構；剛度改良；有限元計算
在工業流水線工作過程中，許多崗位過分依靠工人的體力和技能，具有勞動強度大、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工，數控機器人應運而生。目前在各大制造業自動化生產流水線上，數控自動化機器臂的應用越來越廣。然而機器臂工作載荷復雜，對于其懸臂支撐結構會造成各向的彎扭變形。因此應該將變形量控制到一定范圍以內保證支撐結構的剛度以滿足機器臂的正常運轉。
本文以某汽車制造流水線的機器臂鋼結構布置方案為研究對象，通過有限元分析軟件進行靜力學分析求得該結構布置方案中支撐結構的變形特點，并提出改良的方案。
1.整體鋼架結構的初始設計
本文選取某廠區內生產流水線中的局部鋼結構進行有限元建模分析。為了更好的分析與研究懸臂支撐結構其自身以及下部的支撐結構的結構特點，分別對裝載機器臂的懸臂支撐結構，以及整體鋼架結構兩部分進行分析。
機器臂懸臂支撐結構由兩根400x400x16mm 的方鋼通過連接部分厚為16mm 的斜板焊接而成。有限元單元使用shell 殼單元尺寸取100x100mm。使用MSC.Patran 中MPC 多點約束單元模擬機器臂3.4 米最大臂展距離。MPC 單元是將機械臂作為一剛體考慮，忽略機械臂自身的變形，并將機械臂的質量過度至機械臂的支撐結構上。此外同樣使用多點約束將截面聯接至其幾何中心以模擬連接機器臂的法蘭接頭，以此將機械臂正常運轉過程中的載荷過度至支撐結構上。模型對螺栓連接等局部細節進行了適當簡化。建模材料選取普通碳素鋼，其彈性模量取206000MPa, 泊松比取0.3，密度取7.85x103kg/m3。懸臂支撐結構安裝在底部兩根板厚為16mm 的箱型梁上，并在對應支撐結構位置下方設有凸臺。考慮機器臂布置的不對稱，支撐結構互相之間的影響，以及避免距離約束端過近影響結果等原因，建立6 個懸臂支撐結構的局部模型。
2.加載工況與約束并計算
在不考慮機器臂重量造成的初始位移情況下，根據機器臂生產廠商的相關數據已知機器臂運轉過程中最危險工況如下：
在上述有限元模型中，對鋼結構底端的8 個樁腿進行全約束。對于單體的懸臂支撐結構其約束取結構下表面所有節點。
表1 計算結果匯總（單位:mm）
由于在實際工況中，整體結構布置在x 方向上有其他的約束條件，因而在選取6 支柱有限元模型中位于中間的兩個懸臂支撐結構變形較大的一個做為研究對象。
表2 懸臂支撐結構底面變形量（單位：mm）
其中懸臂支撐結構底端B 點為一基座面，根據組成該面的25個節點的各方向的位移分量，得出基座面中最大位移值（B max）和整個基座面平均位移值（B avg）。并根據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。可以明顯的看出倒L 型的懸臂支撐結構為一典型的懸臂梁結構，由于約束端與受力點跨度較大，其彎扭變形較大。總體變形趨勢是在yz 平面內的彎曲變形以及在z 軸方向上的扭轉。機器臂工作載荷通過懸臂梁傳遞至底部鋼結構上，而底部鋼結構的主要支撐作用是通過兩根x 方向上連續的箱型梁提供的。在變形圖中可以明顯的看出底部結構中箱梁與懸臂支撐結構下方的凸臺一起發生了向內的扭轉變形。
可以看出，要限制懸臂支撐結構的變形需要提升底部鋼結構在x 軸方向上的抗扭性。根據工作要求，需要將機器臂手臂末端N 點位移限制在3mm以內。如果懸臂支撐結構再加厚，使得其板厚超過16mm 將不利于裝配與采購，添加加強筋也并不經濟，現針對整體鋼結構的改良方案進行計算分析。
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。并適當減低箱型梁厚度至10mm。其中， 在懸臂支撐結構下方凸臺的后方增加兩道2x90x8/175x5mm 的工字鋼，其跨度為2.4 米，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 改良前后N,O 點位移分量（單位：mm）
由于優化方案旨在通過加強懸臂支撐結構底部來提升整體的結構剛度，因此就基座B 點位置處進行數據對比。
表4 改良前后B 點位移分量（單位：mm）
由計算結果可以看出，改良結構后N 點的總變形量得以下降近40%左右。而對于基座B 點的總變形量可以降低近90%。其中可以看到Uy 與Uz 的變形量下降的很多，主要是由于該結構能夠極好的限制箱型梁在x 軸方向上的扭轉，從而控制懸臂支撐結構底座B 點的位移。而由于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
本文以某汽車制造流水線的機器臂鋼結構布置方案為研究對象，通過MSC Patran&Nastran 大型通用有限元分析軟件進行靜力學分析求得該結構布置方案中支撐結構的變形特點，此外也通過有限元軟件模擬得出結構會對機械臂精度產生的位移的精確解。對生產商控制機械臂工作精度有著極大的幫助。此外本文還對結構改良的方案進行研究，提出了結構及剛度的優化方案。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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