一種屬具架的結構設計和強度分析*

張子強，吳天躍

(安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243000 )

0 引 言

目前破拆機器人技術的應用非常廣泛，包括建房、修路、救援等諸多方面都有破拆機器人，隨著我國科技的飛速發展，破拆機器人也更偏向于自動化和智能化，同時為了滿足生活實際的需求，該機械的屬具也逐漸多樣化，屬具作為破拆機械的手掌是不可缺少的，目前市面上的屬具有液壓破碎器、液壓鉗、夯實器、挖斗、裂土器、夾木機等多種類型，不同的“手掌”實現不同的功能，達到不同的作用效果。然而，目前的破拆機器人全自動快換裝置[1]更換屬具時會造成位姿誤差，且屬具都放置在地面上，這可能會加劇屬具的腐蝕，且更換難度大，更換效率較低。由于這些弊端的存在，讓破拆機器人屬具架的設計制造成為可能。筆者由此設計了一種屬具架來解決存在的問題。該屬具架可適應位姿誤差，提高屬具的更換效率和工作安全性，保證破拆機器人和工人的安全。

1 屬具架工作原理

該屬具架如圖1所示，結構由支架機構1，平移機構2和轉動機構3三個部分組成，支架機構與轉動機構相臨并固連，同時轉動機構通過中間板與平移機構相連接，平移機構通過底座與地面固連，支架機構起到承載屬具的作用，轉動和平移兩機構分別實現了屬具架更換過程中破拆機器人臂膀與屬具之間位姿誤差的補償和更換完成后機構的自復位作用屬具架模型如圖2所示。

圖1 屬具架整體結構圖 圖2 屬具架三維模型圖1.支架機構 2.平移機構3.轉動機構

2 屬具架結構設計[2]

2.1 支架結構設計

如圖3所示，此結構主要由托板和角支架通過螺栓(M20)連接而成，托板采用V形設計，既能保證其受力均勻又能保證屬具不從屬具架脫落，各個角支架采用三角結構設計，其優點主要在于能在保證材料的剛度條件下盡量節省材料減輕屬具架的自重，且使各構件之間較容易裝配；在豎直支架之間用橫支架連接固定，以保證屬具架在水平面縱向上受力時保證結構的平衡穩定，豎直角支架的下部通過螺栓(M10)與轉動托板連接固定，保證各平移結構與轉動結構之間順利裝配。

圖3 平移組結構示意圖1.托板 2.螺母 3.螺栓 4.短豎直支架 5.橫支架 6.長豎直支架

2.2 轉動結構設計

轉動結構主要由中間的轉動機構以及對稱固接在中間板四周的回位機構組成。如圖4，位于轉動托板與中間板之間的中間軸承在轉動機構中起主要作用，中間軸承上下表面分別與轉動托板的下表面與中間板的上表面完全重合，通過軸承的轉動實現屬具在屬具架上的轉動。當破拆機器人完成屬具的更換時，回位部即將起作用以使轉動托板順利復位。拉桿通過螺栓分別與轉動托板與滑塊相連，復位彈簧左右兩端分別與滑塊與導軌固連，同時導軌通過緊固螺釘與中間板相連。當轉動結構處于原始狀態時，復位彈簧處于原長；當轉動托板通過拉桿使滑塊移動時，彈簧被拉長，滑塊受到與其運動方向相反的拉力以實現轉動部分的成功復位。

圖4 轉動組結構示意圖1.轉動托板 2.中間軸承 3.滑塊 4.復位彈簧 5.中間板 6.緊固螺釘 7.螺栓 8.拉桿 9.導軌

2.3 平移結構設計

平移機構上端的角支撐通過螺栓與轉動機構的中間板相連，該結構的核心構件是位于結構中心的中間塊，各構件在中間塊內運動以實現結構的運動要求。平移組由上下兩個部分組成，兩個部分分別實現兩個相互垂直方向上的移動，直線軸承固定在中間塊內，滑軌與直線軸承標準配合，能保證各個滑軌在中間塊中滑動，復位彈簧兩端分別插入中間塊的凹槽和角支架的凸起內，與轉動機構中的復位彈簧執行原理相同，均是通過工作過程中彈簧的作用力來實現機構的復位，該機構下端通過底座與地面固連以保證屬具架整體的固定和正常工作，平移結構如圖5。

圖5 平移組結構示意圖1.角支架 2.底板 3.復位彈簧 4.滑軌 5.直線軸承 6.底座 7.中間塊

考慮到屬具的尺寸大小及工作過程中屬具架結構的穩定性，底板設計成邊長為1 200 mm、厚30 mm的正方形鋼板；托板厚30 mm，主受力底面長800 mm寬450 mm。該屬具架結構整體占地面積為1 440 000 mm2,總高度為820 mm。

3 基于ANSYS工作臺的結構強度分析[3]

3.1 模型建立

使用SolidWorks軟件，建立固定框架的三維模型，打開有限元解析軟件，導入解析模型，選擇Q345鋼作為材料，設定彈性模量Ex=206 000 MPa，Poisson比U=0.3，密度為7 850 kg/mm3。網格由10個節點的四面體(尺寸為5 mm)劃分。網格劃分后的結果如圖6所示。

圖6 網格劃分示意圖

3.2 結構接觸設置

如圖3、5所示，該結構的危險部位在托板與角支架的螺栓連接處和最下端的滑軌與角支架的連接處，為了模型求解方便，且盡可能使模型處理與實際工況相符，故只在上述兩類危險部位更改默認接觸，其他部分的接觸仍為bond。將四個螺栓連接及軸與主體的接觸面由默認的固連改為有相對滑動，其中摩擦系數設定為0.5。以兩接觸面為例，如圖7所示。

圖7 接觸設置示意圖

其中，上述螺栓和兩個長滑軌是需要重點關注的部位，所以該部位附近的網格需要加密[4]。將其網格尺寸由5 mm改為2 mm，如圖8所示。

圖8 局部網格加密示意圖

3.3 邊界條件施加

先對四個底座下底面施加固定約束，然后對模型整體施加重力加速度，在垂直于托板向下的方向施加2 000 N的均布載荷.根據螺栓預緊力公式[5]：

(1)

查閱機械手冊得8.8級普通螺栓的許用應力[σ]=640 MPa，螺栓危險截面的直徑d=17.84 mm；F0為螺栓所受的預緊力。由計算可得：F0=123 060 N。邊界條件施加結果如圖9所示。

圖9 邊界條件施加結果示意圖

(2)

式中：F=2 000 N,δs=345 MPa,δ0=198.83 MPa。

3.4 結果分析

當施加2 000 N靜載荷時，其最大應力所在位置如圖10所示在長導軌處，最大應力值為198.83 MPa，符合實際情況。該結構鋼的屈服極限在345 MPa，由于該模型零件數較多，用計算機解決一次求解問題需要消耗大量時間，所以為了節省時間和成本，筆者通過公式(2)計算得出當施加3 470 N的靜載荷時，導軌達到屈服極限345 MPa。通過靜力學分析顯示，屬具架的極限承載能力為347 kg，能夠完成中小型屬具的更換，滿足設計需求。

圖10 結構等效應力云圖

4 結 語

介紹了屬具架的結構設計和基于整體特征的有限元分析。該機構具有一個轉動和兩個移動共三個自由度[2]，故其在水平面內無約束，可做任意運動，保證了屬具更換過程中的靈活性，在很大程度上提高了破拆機器人的工作效率。同時由應力分析結果可知，該結構目前的承載能力相對較弱，以上結果也為屬具架的優化改進提供理論依據。