直角坐標噴涂機器人移動平臺設計

曲永亮

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著社會的快速發展，科技的不斷進步，機器人在社會的發展過程中起著越來越重要的作用。機器人能夠代替人在環境比較惡劣的場合作業，對噴涂行業而言，噴涂過程中揮發出來的有毒氣體嚴重危害這工人的身體健康，因此，噴涂機器人在社會中的應用將越來越廣泛。

本文基于ANSYS Workbench軟件對機器人移動平臺車架進行有限元分析，通過對車架強度分析，進行優化設計。

1 噴涂機器人移動平臺的整體設計

1.1 噴涂機器人移動平臺整體結構

本次設計的移動平臺是基于已設計好的直角坐標噴涂機器人而進行設計的。移動平臺的整體結構如圖1所示。

圖1 機器人移動平臺的布局圖

1.2 發電機的選擇

鑒于汽油發電機體積小，便于移動，噪音小，功率相對于柴油發電機來講也比較小，一般適合小型企業或小型的施工現場，本設計采用日本雅馬哈EF13000TE汽油發電機，其相關配置和參數如表1所示：

表1

1.3 腳輪的選擇

移動平臺腳輪采用萬向輪，輪徑大小的選擇首先應考慮承載的重量和荷重下搬運車的起動推力，其單輪所需的載重能力計算如下：

式(1)中：T為單輪或萬向輪所需承載重量；E為運輸設備的自重；Z為最大荷重；M為所用單輪和萬向輪的數量；N為安全系數（約1.3-1.5）。

1.4 機器人移動平臺車架的設計

噴涂機器人的移動平臺是各種機械結構的載體，它承載著其它機械結構和搭載元件的部分重量，同時也是其它部件的定位基準。這就要求機器人底盤具有一定的強度、剛度和較高的可靠性。另外，根據噴涂機器人指標要求，移動平臺應該具有較高的通過障礙能力，在進行底盤設計時，應該充分考慮到底盤通過能力。與此同時，還應該考慮到移動平臺在運動過程中的穩定性。

本次車架的設計選用方鋼進行焊接，制造成本低，結構簡單，重量輕。并根據已選定的發電機以及空氣壓縮機的尺寸進行車架的布局，整體CATIA模型圖如圖2所示。

圖2 機器人移動平臺整體結構CATIA模型圖

1.5 零件材料選擇

從材料選用原則的使用要求、加工要求和經濟要求出發，選擇各零部件的材料。軸類零件材料的選擇時，傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價格也比合金鋼低廉，因此應用較為廣泛，本設計移動平臺結構中的轉軸采用 45號鋼，即可滿足設計要求的需要。

2 車架的強度分析

在ANSYS Workbench中創建設計車架的有限元模型，如圖3所示。

圖3 車架有限元模型

并進行施加載荷及載荷選項、設定約束條件，求解后可得到車架的等效應力圖如圖4所示。

圖4 車架等效應力分布云圖

從圖4中可以看出，車架應力的最大值為6.54MPa，車架受力最大的地方發生在安裝車輪的八根橫梁以及承載發電機的橫梁處（如圖所5示）。因此在車架焊接的過程中對于這兩處的焊接要求就相當高。本次車架采用結構鋼焊接，彈性模量為2×105，泊松比為0.3，屈服強度為345Mpa，車架的應力遠遠小于屈服強度，完全可以滿足強度要求。

圖5 車架應力最大值處

圖6 車架變形云圖

圖6 車架變形最大值處

在直角坐標噴涂機器人噴涂的過程中需要保證一定的噴涂精度，這就要求車架的變形不能過大。從圖6中可讀出車架的最大變形量為 0.0327mm，車架變形主要表現在車架的中間部位，而車架變形最大的地方同樣發生在安裝車輪的八支橫梁以及承載發電機的橫梁處，如圖6所示。其變形量相當小，對于噴涂要求不會造成影響。因此，車架的設計滿足設計要求。

3 結論

本文設計了一種輪式地面移動機器人平臺，并利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對所設計車架進行模擬試驗，有效地分析預測所設計車架結構的強度，為車架的設計提供理論依據。

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