基于焊接工藝的懸臂式重載碼垛機械手

陳雪松，侯榮國，呂 哲，王 濤，張 宇

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

碼垛機械手操作方便、適應性強，在工業生產過程中可以節省大量的人力物力，提高生產效率和經濟效益，降低工人的工作強度[1]。隨著生產規模的不斷擴大和勞動力成本的提高，市場對碼垛機械手提出了更高的要求，為了使機械手向高速、重載、高精度、高靈活性方向發展，需要不斷改進機械手的結構設計以適應市場的需求。

針對機械手結構優化，很多學者做了大量研究，主要集中在以下幾個方面：(1)通過優化算法或有限元分析，調整零件局部的形狀，如改變壁厚、設置局部加強筋或者去除部分材料，做輕量化設計以及最大剛度設計[2-4]；(2)利用儀器如電阻應變片測量和分析復雜承力構件的應力分布，以便校核和改進設計[5]；(3)通過模態分析計算機械手局部或整體結構的固有頻率，在運行時避開這些頻率，防止發生共振[6-7]。然而，針對機械手本身制造工藝的研究卻很少，機械臂大多采用鑄造工藝，但是鑄件機械性能差、難以精確控制、質量不穩定，而且鑄造生產過程中會產生大量粉塵、有害氣體，污染環境，危害工人健康，因此改進機械臂的制造工藝是非常必要的。

本文設計了一種三自由度重載精密碼垛機械手。通過SolidWorks建立三維實體模型，利用ANSYS和ADAMS進行力學分析，以期通過改進機械臂的局部結構來提高機械手的強度和剛度，適應工業生產的需求。

1 懸臂式重載碼垛機械手整體結構

該碼垛機械手采用多關節式平行四邊形結構，整體結構如圖1所示。整體機構由運動機構和平衡機構組成，兩者相互關聯但互不影響。運動機構由大臂、小臂和兩連桿組成的平行四邊形連桿機構Ⅰ組成，由兩個伺服電機分別驅動大臂和一個連桿作回轉運動，在連桿機構的作用下小臂作相應運動。平衡機構由兩個平行四邊形連桿機構組成，基座、大臂、平衡連桿1和V形架組成平行四邊形連桿機構Ⅱ；小臂、手爪安裝座、平衡連桿2和V形架組成平行四邊形連桿機構Ⅲ。平衡機構使得機械手運動時保持手爪安裝座底端始終水平，即機械手末端執行器的工作位姿始終保持不變[8]?？紤]到生產線布局和空間的限制，與以往的碼垛機械手不同，該機械手采用懸臂式結構，基座位于機械手系統的最上方，不占用地面空間，結構緊湊，有利于車間的良好布局。該機械手能實現3種不同方向的運動：大臂左右擺動、小臂上下擺動和腕部旋轉運動。

圖1 碼垛機械手機械結構Fig.1 The mechanical structure of palletizing robot

由于該機械手的技術要求是抓取并移動1 000 kg的目標重量，而且機械手自重將近3 000 kg，自身重量對機械手運行的穩定性、剛度及精度也會產生很大影響，所以該碼垛機械手的主要部件，如大臂、小臂、連桿、基座及腕部均采用焊接成形制造工藝。其主要優勢是可以方便地將加工完成后的板材根據需要進行組合焊接，從而減輕自重、節省材料、降低成本、方便加工、降低操作難度，并且結構剛度大、整體性好，適合高強度、大剛度的中空結構，能保證該機械手運動平穩、強度變形量滿足設計要求。

2 工作狀態下主要部件靜力學分析

由于該碼垛機械手的負載和自重均很大，有必要對其進行靜剛度分析。在碼垛作業過程中，機械手的位姿不斷變化，在所受力矩最大的位置，利用ANSYS中Static Structural模塊對大臂、小臂進行靜力學分析，得到應力分布和變形云圖，分析承力構件的危險位置，找到零件的薄弱點及應力集中區，從而為機械手局部結構的優化提供理論依據[9]。

首先，利用SolidWorks進行三維建模，在進行有限元分析之前，需要對模型進行幾何簡化，即忽略對零件變形影響不大的螺紋孔、工藝孔及圓角、倒角等幾何特征，有利于提高劃分網格的質量，保證模擬的準確性和可靠性[10]。

機械手的大臂和小臂通過鋼板組合焊接而成，由于焊接接頭性能優異，所以對材料本身性能要求不高，因此機械臂材料選用普通碳素結構鋼Q235，材料性能參數見表1。由于該結構鋼含碳適中，強度、塑性和焊接等性能可以得到良好的配合，焊接件疲勞強度高，并且價格低廉，可有效降低制造成本。

表1 Q235碳素結構鋼性能參數
Tab.1 The performance parameters of Q235 carbon structure steel

密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPa屈服強度/MPa7.852100.3380235

2.1 大臂零件靜力學分析

大臂零件網格劃分選用20節點的186號單元類型，對于關鍵部位，如鋼板焊接處、兩端軸連接處進行網格細化處理，網格劃分完成后共有376 132個節點，235 670個單元。對機械臂施加約束和載荷，在大臂上端圓周進行面約束，下端孔施加載荷，然后進行靜剛度計算，查看應力分布情況及變形量，安全系數取1.5，得到的分析結果如圖2、圖3所示。

圖2 大臂應力分布云圖Fig.2 The stress distribution contour of big arm

圖3 大臂變形云圖Fig. 3 The deformation contour of big arm

從圖2和圖3中可以看出，應力主要分布在鋼板焊接接頭處，即鋼板邊緣，在鋼板中部應力很小。最大應力為29.518 MPa，材料最大應力強度極限為235 MPa，大于44.277 MPa(29.518×1.5)，滿足結構剛度要求。最大變形量為0.352 mm，相對于大臂的長度，變形量可以忽略不計，能保證機械手具有較高的工作精度，證明該結構設計合理有效。

2.2 小臂零件靜力學分析

小臂零件的靜應力計算過程與大臂零件類似，在小臂右端和中部孔進行面約束，左端孔施加載荷。應力和變形云圖如圖4、圖5所示。

圖4 小臂應力分布云圖Fig. 4 The stress distribution contour of small arm

圖5 小臂變形云圖Fig. 5 The deformation contour of small arm

從圖4和圖5中可以看出，在滿負載情況下，應力主要分布在小臂前半部分鋼板焊接處，后半部分所受應力很小，可在后半部分去除適量材料，減輕小臂重量，做輕量化設計，對整體剛度幾乎無影響。小臂承受的最大應力為39.803 MPa，出現在中部連接件與小臂連接的位置，因為連接處采用焊接工藝，焊接接頭力學性能良好、剛度大，所以結構強度滿足設計要求。最大變形量為0.147 mm，在允許范圍之內，小臂在該工況條件下能安全穩定運行。

3 機械手運動學分析

為了保證碼垛機械手運行快速、平穩實現所設計的運動要求，利用ADAMS對機械手進行運動學分析[11]。將SolidWorks裝配模型另存為Parasolid x_t格式，導入ADAMS中[12]，并定義各部件的材料屬性，自動計算出轉動慣量和質量，確定各部件的質心。根據運動要求，對模型添加約束及轉動副，模擬整個工作行程，包括提升，平移，下放，復位4個階段。如圖1所示，大臂和小臂只有Y、Z兩個方向上的運動，大臂和小臂在Y方向上的速度與加速度變化如圖6、圖7所示，大臂和小臂在Z方向上的速度與加速度變化如圖8、圖9所示(圖中實線為小臂，虛線為大臂)。

圖6 大臂和小臂在Y方向的速度變化曲線Fig. 6 The velocity curves of big arm and small arm in Y direction

圖7 大臂和小臂在Y方向的加速度變化曲線Fig. 7 The acceleration curves of big arm and small arm in Y direction

圖8 大臂和小臂在Z方向的速度變化曲線Fig. 8 The velocity curves of big arm and small arm in Z direction

圖9 大臂和小臂在Z方向的加速度變化曲線Fig. 9 The acceleration curves of big arm and small arm in Z direction

由圖6—圖9可知，機械手大臂和小臂的控制精度較高，結構合理、運動平穩且控制性能良好。

4 結束語

本文設計了一種懸臂式重載碼垛機械手，為了提高其結構剛度、降低制造成本，該機械手的主要零件采用了焊接制造工藝。利用ANSYS和ADAMS對大臂和小臂進行的靜力學及動力學仿真表明，大臂和小臂的強度和剛度完全滿足設計要求，且控制靈敏度較高，運行平穩、快速。該設計還能節省材料、降低加工難度，為下一步碼垛機械手系統結構的分析和改進提供了理論支持。