基于SolidWorks碼垛機器人結構部件有限元分析

黃海峰

（桂林廣陸數字測控有限公司，廣西 桂林541004）

基于SolidWorks碼垛機器人結構部件有限元分析

黃海峰

（桂林廣陸數字測控有限公司，廣西 桂林541004）

以碼垛機器人虛擬樣機作為研究對象，分析機器人在靜態下的受力情況，運用SolidWorks的simulation模塊對機器人進行靜力學分析。在此基礎上，校核和優化設計機器人的機構，使機器人在滿足結構強度和剛度的前提下，能夠減輕整體的重量，降低生產成本。

SolidWorks；碼垛機器人；有限元分析

近年來，在低價勞動力供給下滑、工資上漲、產業轉型的大背景下，“機器換人”屢被提及。碼垛機器人在解決勞動力不足、提高勞動生產效率等方面具有很大潛力[1]。國外從20世紀60年代開始研究工業機器人，我國在這方面的研究剛起步不久，還需加快研究步伐，提高研究水平[2]。

本文研究的機器人如圖1所示。利用SolidWorks simulation模塊，可以對本款碼垛機器人的主要零部件在靜態下進行線性分析，校核零部件的強度剛度，并根據分析的結果對機器人的主要部件進行優化，完成碼垛機器人結構的改進，改善其工作性能。

圖1 機器人整體結構示意圖

1 機器人總體結構設計

根據設計要求，本機器人應具有升降、伸縮、回轉、整體移動這四個運動。如圖1所示，該機器人的結構主要有水平移動機構、底座旋轉機構、擺動機構和末端執行器4部分組成。

2 主要零部件的靜力學分析和優化

SolidWorks simulation是一種基于有限元分析（即FEA數值）技術的設計分析軟件，是SRAC公司開發的工程分析軟件之一，能對零件和裝配體進行靜應力分析[3]。機器人的設計應在保證功能要求的前提下，通過優化－簡化設計，可獲得最大限度的優良性能，其中結構上的要求除保證強度、剛度、可靠性外，就是盡可能減輕質量。對于機器人的設計，從能實現基本功能的最簡單結構開始，然后根據有限元分析結果，對受力大的部位進行加強、對不受力的部位減少材料，這也體現出CAD建模和有限元分析各自的優點，他們的結合無疑可以大大提升設計效率。

本文研究的碼垛機器人運動和支撐部分主要由底座L型支撐板、長臂1、長臂2等構件組成，在設計時需要對這些構件進行靜力學分析，以發現構件的中的薄弱部位，及時發現設計上的缺陷。長臂1和長臂2結構強度滿足實際需求，僅需對底座L型支撐板進行分析。

2.1 L型支撐板的有限元分析和結構優化2.1.1材料屬性、邊界條件及網格劃分

本文設計的碼垛機器人底座L型支撐板，采用的材料是Q235，材料的彈性模量為210 GPa，質量密度為7.85 g/cm3，泊松比為0.27，屈服強度為235 MPa.網格劃分采用標準網格，網格因子設置為5 mm，公差0.25，雅可比點選擇默認值4點，單元大小為3.970489 mm，單元總數為7 649，節點數為13 462.邊界條件將底座L型支撐板與底板連接的四個孔設置為固定幾何體，底座L型支撐板的受力簡圖如圖2所示，其中F1是由機座以上的部件的自重及運動時的慣性力產生的，今忽略空氣阻力，取最大極端值F1=500 N，F2是長臂1運動時產生的慣性力和一部分機器人機座上的自重所共同組成的，經過初步的計算，今取最大極端值F2=100 N，F3是機器人在做擺動運動時產生的慣性力，取最大極端值F3=50 N.綜上外部載荷取值如下：F1=500 N，F2=100N，F3=50 N，底座 L 型支撐板優化前的應力云圖、位移云圖、應變云圖如圖3所示。

圖2 底座L支撐板受力簡圖

圖3 優化前應力云圖、位移云圖、應變云圖

2.1.2 結構分析及優化

采用的變形比例為115.37，可以看到清晰的變形效果。在圖中應力、應變較大的位置為底座L支撐板的危險區，在應力云圖中可以看到結構所受的應力不大，符合要求，但是在合位移云圖中，結構整體位移為0.1042 mm顯然不符合要求。所以對結構進行加筋處理，重新劃分網格、運行計算，得到優化后的應力、應變、位移云圖如圖4所示（網格劃分、邊界條件、外部載荷不變）。對比優化前后的各云圖可以看出，增加筋結構后，在相同負載下底座L支撐板結構應力、應變和位移分布都發生了變化，圖4顯示的結果比例擴大到453.047倍，在應力云圖中，各個位置均符合強度要求，最大的應力值為37.27 MPa，在位移云圖中，整個結構的最大位移量為0.027 75 mm，滿足設計的要求。

圖4 優化后的應力云圖、位移云圖、應變云圖

綜上對比優化前后的各云圖可以看出，增加筋結構后，在相同負載下，最大值較改進前都有顯著減小，提高了整個結構的靜剛度。

3 結束語

本文利用SolidWorks軟件上自帶的simulation模塊對機器人的主要構件進行了有限元分析分析，并根據結果對構件進行了優化。得到如下結論：

（1）闡述了本機器人的總體結構設計，提出了一種多自由度機器人設計方案。

（2）對機器人底部L型支撐板零部件，根據在SolidWorks simulation中得到的應力、應變、位移云圖，在正確的位置增加筋結構，有效地規避了零件的危險區，并顯著提高了零件的靜剛度。

[1]李學威，王富剛，張 鵬.碼垛機器人整機的有限元分析與優化[J].機械設計，2014，31（7）：.29-30.

[2]李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現狀、問題及對策[J].包裝工程，2010（03）：96-97.

Finite Element Analysis of Structural Components of Palletizing Robot Based on SolidWorks

HUANG Hai-feng
（Guilin Guang Lu Digital Measurement and Control Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541004，China）

In this study，the virtual prototype of palletizing robot is taken as the research object，and the force of the robot under static condition is analyzed.The simulation module of solidworks is used to analyze the robot.On this basis，check and optimize the design of the robot body，so that the robot to meet the structural strength and stiffness under the premise of reducing the overall weight and reduce production costs.The analysis results provide the basis for optimizing the robot.

solidworks；palletizing robots；finite element analysis

TP242.2

A

1672-545X（2017）08-0040-03

2017-05-21

黃海峰（1988-），男，廣西平南人，助理工程師，本科，研究方向：機器人自動化。