采用SolidWorks的高速重載碼垛機器人的靜力學分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　以所設計的一種四自由度高速重載碼垛機器人為研究對象，建立其簡化三維模型。采用機械仿真設計軟件Solid-Works Simulation 工具首先對模型中零件底座、末端執(zhí)行器進行靜力學分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，然后對整機在最大載荷情況下的幾個典型位姿進行分析，得到整機在工作空間內(nèi)的應力、應變和位移云圖，并進一步優(yōu)化桿類零件壁厚。對零件的優(yōu)化提高了碼垛機器人的靜剛度和動力學性能，通過對整機的分析得到了碼垛機器人在工作空間內(nèi)的靜剛度分布特性，為碼垛機器人的設計提供了參考依據(jù)。

　　近年來，隨著機械自動化水平和勞動力成本的不斷提高，高速重載搬運機器人在各類產(chǎn)品生產(chǎn)線上已得到了廣泛應用。尤其是產(chǎn)品碼垛工序，機器人以其在適用范圍、靈活性、成本以及維護等方面的優(yōu)勢使其應用越來越廣泛，并成為一種發(fā)展趨勢。在這種形勢下，杭州娃哈哈集團有限公司與天津大學等單位共同研發(fā)了一種用于產(chǎn)品碼垛的高速重載搬運機器人。該機器人最大抓取重量為300kg，搬運能力為800 次/小時，位置重復精度為±0. 5mm。整機主要由底座、大臂、前臂和末端執(zhí)行器四個關節(jié)組成，能實現(xiàn)四種運動: 底座旋轉(zhuǎn)、大臂前后運動、前臂上下運動和末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)運動，即四個自由度。在結(jié)構(gòu)上的特點為: 包含三個平行四邊形結(jié)構(gòu)，其中大臂外側(cè)的平行四邊形機構(gòu)Ⅰ，在保證前臂和前臂驅(qū)動臂具有相同轉(zhuǎn)速的同時可將電動機安裝在底座上，使機器人的動力學性能得到改善; 另外兩組耦合平行四邊形機構(gòu)Ⅱ、Ⅲ起到保持末端執(zhí)行器水平姿態(tài)的作用。碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

　　在設計研發(fā)機器人階段，對其進行靜力學分析是必不可少的步驟。通過靜力學分析，可以得到機器人在外力( 力矩) 作用下的應力、應變及位移分布，根據(jù)分析結(jié)果能夠清楚地了解設計中存在的缺陷及結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此進行優(yōu)化設計。本文借助機械仿真設計軟件SolidWorks Simulation 工具，對該碼垛機器人的主要構(gòu)件和整機典型位姿進行了靜力學分析，根據(jù)分析結(jié)果對部分零件機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，得到了整機在最大載荷情況下工作空間內(nèi)的靜剛度分布特性，并進一步優(yōu)化大臂、前臂壁厚，最終達到提高其整機末端靜剛度、位置精度和動力學性能的目的。

　　本文對碼垛機器人主要構(gòu)件和整機進行了靜力學分析，并根據(jù)結(jié)果做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論。

　　1) 對于底座和末端執(zhí)行器這種形狀不規(guī)則的零圖16 整機末端最大位移隨壁厚變化的關系曲線件，根據(jù)應力、應變分布云圖，在正確位置增加筋結(jié)構(gòu)可以顯著提高其靜剛度。

　　2) 碼垛機器人的末端靜剛度隨其在工作空間內(nèi)的不同位姿而發(fā)生變化。在最遠端附近靜剛度最小，最近端附近靜剛度最大。

　　3) 綜合考慮節(jié)省材料和碼垛機器人末端位移最小，優(yōu)化大臂、前臂壁厚為18mm。