碼垛機(jī)抓手連接托架組件的輕量化

周 勇，程相文，殷海桐，王 成

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 唐山 063200)

0 引言

碼垛機(jī)抓手作為碼垛機(jī)的核心部件，在碼垛過程中起著至關(guān)重要的作用。對于高位碼垛機(jī)而言，其質(zhì)量主要集中于末端執(zhí)行器——碼垛機(jī)抓手[1]。抓手的質(zhì)量大，則能耗高，碼垛效率低。因此對碼垛機(jī)抓手進(jìn)行輕量化是十分必要的，本文對抓手的關(guān)鍵部件連接托架組件進(jìn)行輕量化。

1 連接托架組件的三維模型

連接托架組件整體由連接耳板、底座、方管和法蘭盤組成，采用CREO建立其三維模型，如圖1所示。

1-方管；2-底座；3-連接耳板；4-法蘭盤

2 拓?fù)鋬?yōu)化前的靜力學(xué)分析

在ANSYS/Workbench中導(dǎo)入連接托架組件，新建材料命名為Q235A，編輯其相關(guān)屬性，并將此材料屬性賦予連接托架組件的各零部件，之后劃分網(wǎng)格，施加約束和載荷并進(jìn)行靜力分析。

由于連接托架組件為裝配體，為避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，在零件連接處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，得到1 397 741個節(jié)點、935 960個單元，其有限元模型如圖2所示。固定約束施加在法蘭盤螺栓孔，載荷施加在連接耳板和方管的鉸孔處，分別為221.36 N、1031.18 N。

圖2 連接托架組件有限元模型

對連接托架組件的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前連接托架組件靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖3可以看出：連接托架組件的最大應(yīng)力為33.568 MPa，最大變形為0.028 mm。Q235A屬于塑性材料，其安全系數(shù)一般取1.5～2.5，為了生產(chǎn)過程的安全性，在此取2.5，可以得到連接托架許用應(yīng)力為94 MPa。通過靜力分析得到的連接托架組件最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此有較大的拓?fù)渑c尺寸優(yōu)化空間。

3 拓?fù)鋬?yōu)化及強(qiáng)度驗證

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

采用Topology Optimization模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)洌鶕?jù)模型特點選取變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[2,3]。期間可能出現(xiàn)因保留質(zhì)量響應(yīng)過大出現(xiàn)拓?fù)洳怀浞只蚍粗霈F(xiàn)重要結(jié)構(gòu)被拓?fù)淙コ默F(xiàn)象，因此采用逐步優(yōu)化法，將保留質(zhì)量響應(yīng)設(shè)定為80%、60%和40%分別得到拓?fù)浣Y(jié)果，如圖4所示。

圖4 連接托架組件的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

從圖4可以看出：應(yīng)力較大的地方如法蘭盤的螺栓孔周邊部分被保留，螺栓孔之外的地方和方管四周去除的材料較多；在保留質(zhì)量響應(yīng)為60%時，效果較好，其他兩種情況則較為極端。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化后的強(qiáng)度驗證

拓?fù)鋬?yōu)化后的模型邊界較為模糊，需要根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果重新設(shè)計零件尺寸。因此根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，重新建立了連接托架組件的三維模型，如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化后連接托架組件的三維模型

對新建的三維模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出：優(yōu)化后模型的最大應(yīng)力為41.345 MPa，遠(yuǎn)小于Q235A的許用應(yīng)力。因此，可采用尺寸優(yōu)化法繼續(xù)對連接托架組件進(jìn)行輕量化。

圖6 連接托架組件拓?fù)鋬?yōu)化后的靜力學(xué)分析結(jié)果

4 連接托架組件尺寸優(yōu)化

4.1 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化采用ANSYS/Workbench的Design Exploration多目標(biāo)優(yōu)化模塊[4,5]。在使用此模塊前需要將模型進(jìn)行參數(shù)化，參數(shù)化模型的方法有兩種：

(1) 直接在ANSYS中建立三維模型。

(2) 通過與三維建模軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將優(yōu)化的尺寸改為以DS_開頭的形式，ANSYS方可識別模型中的尺寸參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化。

在此，選取第二種方法建立參數(shù)化模型。將法蘭盤厚度DS_1、方管壁厚DS_2、固定座厚度DS_3、連接耳板厚度DS_4四個尺寸作為優(yōu)化參數(shù)。被優(yōu)化零件的三維模型如圖7所示。

圖7 連接托架組件被優(yōu)化零件的三維模型

優(yōu)化流程如圖8所示。其中Design of Experiments是試驗設(shè)計過程，此次采用拉丁超立方法進(jìn)行試驗設(shè)計[6]，其優(yōu)點是可以使得試驗點均勻地分布在設(shè)計空間，具有較好的均衡性，此次有四個設(shè)計變量，給定25個試驗樣本點，最終生成的樣本點如表1所示。其中，P5為連接托架組件最大應(yīng)力，P6為其質(zhì)量，通過試驗設(shè)計部分自動計算得到。

圖8 優(yōu)化流程圖

表1 連接托架組件設(shè)計樣本點

在得到上述25個設(shè)計樣本點后采用標(biāo)準(zhǔn)二階響應(yīng)面法建立輸入輸出的近似模型，得到各輸入變量組合和各輸出之間的響應(yīng)關(guān)系。下面列舉出DS_1、DS_2對應(yīng)力以及質(zhì)量的響應(yīng)面，如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)擬合響應(yīng)面

最后以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以許用應(yīng)力為約束條件進(jìn)入Optimization項進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后對比

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化后連接托架組件最大應(yīng)力為82.698 MPa，小于其許用應(yīng)力94 MPa，符合要求。

4.2 優(yōu)化結(jié)果驗證

優(yōu)化過程是通過建立響應(yīng)面近似模型完成的，需對結(jié)果進(jìn)行驗證，確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。對尺寸優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 連接托架組件尺寸優(yōu)化后的靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖10可以看出：尺寸優(yōu)化后應(yīng)力為82.424 MPa，與優(yōu)化值82.698 MPa相差很小，證明近似模型建立較為精確。連接托架組件初始重量為6.5 kg，拓?fù)鋬?yōu)化后為4.92 kg，經(jīng)過尺寸優(yōu)化又減輕為2.95 kg，最終減重比為54.6%。

5 結(jié)論

采用Topology Optimization和Design Exploration模塊對碼垛機(jī)抓手的連接托架組件進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，使其總體質(zhì)量大大減輕，提高了材料利用率，在一定程度上降低了碼垛機(jī)抓手的功耗，達(dá)到了輕量化的目的。