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搬砖机械手的动力分析及结构优化Dynamic analysis and structure optimization of brick transporting manipulator刘俊，高乐，范永威LIU Jun, GAO Le, FAN Y ong-wei（上海电机学院 机械学院，上海 200245）摘要： 在码垛机器人的设计中，动力分析与结构优化至关重要。本文以某公司生产的基于高速四轴码垛机器人的搬砖机器人的机械手为研究对象，详细分析了机械手的动态载荷。以此为基础，运用有限元分析软件UG Nastran对机械手在搬砖运动的状态进行受力分析，对夹板结构进行了优化和校核，减轻了机械手的重量，降低了生产成本，提高了工作效率。关键词： 码垛机器人；机械手；优化中图分类号：TP241 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2011)8(下)-0010-04Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.8(下).030引言近年来随着劳动力成本上升，国内越来越多的企业开始考虑使用工业机器人替代人工劳动。在制砖企业，砖窑连续不断出砖，最高温度超过100，工人戴上多层手套搬砖，必须与砖窑的出砖速度同步，经常连续 8 小时以上工作，很多工人患有腰椎劳损、呼吸系统疾病等职业病。上海某公司设计、生产的“搬砖机器人”可以替代砖窑尾部、抛光线上砖等劳动强度大的搬砖工人，解放了劳动力，提高了工作效率。搬砖机器人的整体系统分为两部分，一是机器人，另外是安装在机器人末端的专用机械手。在码垛作业中，最常见的作业对象是袋装物品和箱装物品，象砖块这样的搬运对象就不能简单使用真空吸盘或叉板式结构，而需要设计一个专用的末端执行装置。为了提高搬砖机器人的效率和机器人使用寿命，在满足工作要求的前提下，减少机械手本身的重量是现在研究码垛机器人的关键问题。主梁上有安装板，板上装有与机器人联接的法兰。主梁下有四根支撑梁，支撑梁上有两块安装板用来安装气路系统元件。支撑梁下装有六块夹板，采用 Q235 钢，取砖时，中间两块夹板不动，外侧四块在气缸驱动下，沿着支撑梁下端面轨道向中间运动并加紧砖块，夹板上安装有气缸支撑梁上装有接近开关，用来控制气缸行程。机械手每次抓取 20 块砖头，砖的尺寸为 24011553（单位mm)，一块砖头的重量为1.6kg，搬砖效率为 9.6吨 / 小时，搬砖速度要求每 3S 完成一个工作循环，因此，为了快速动作，该码垛机械手采用气源方1机械手结构设计FANUC 提供的 M-420iA 高速四轴码垛机器人如图 1 所示，能实现各个行业的后段码垛单元，其敏捷的动作可以实现高生产节拍的要求。在满足高性能要求的同时，FANUC 机器人紧凑型、轻量化的设计大大减少了安装难度和占地面积。基于此机器人本体的末端执行装置结构由六块夹板和支架组成如图 2 所示，支架有两根平行主梁，图1 FANUCM-420iA 机器人收稿日期：2011-05-26基金项目：国家高技术研究发展计划（ 863）资助项目（2007AA041600 ）；上海市教育委员会重点学科资助项目（ J51902）作者简介：刘俊（1971），女，副教授，在读博士，研究方向为机电一体化。【10】第33卷第8期2011-8(下)图2搬砖机器人末端执行器（机械手）便、动作迅速及维修方便的气压驱动。回转产生的惯性力矩等效在夹板上的作用力F4。2机械手动力分析考虑到夹板结构对称性及受力的均匀性，以机械手四分之一区域为研究对象。一块砖头的重量为 1.6kg，5 块砖头的重量大约为 80N，抓取砖块需要的摩擦力均分到两块夹板，一块夹板 f 40N，摩擦系数取 0.25，夹板承受正压力 N f/ 160N。搬砖机械手在工作过程中，夹板动作时所受的静态载荷主要气动系统产生的正压力 160N。然而，由于搬砖的速度非常快，搬砖机器人和机械手的运动速度和加速度都很大，特别是位于末端图3夹板受力分析简图的机械手，其动态受力不容忽视，这里主要是指设夹板 1 和砖块的质量分别为 m1，m2，夹板 1由向心加速度引起的离心力和由切向加速度引起的宽度为b；机械手绕轴1，2 的最大回转半径分别的惯性力。搬砖机械手的动态载荷要远大于静态为 R、r；轴 1，2 的最大角速度、角加速度为1，载荷。1和2，2；砖块对轴2 的转动惯量分别为J2。搬砖机械手在工作时，一方面由机器人本体底座的回转轴带动其旋转；另一方面，为了达到正确的码放位置，机械手还需要自转。夹板主要受到的力分别为如图 3 所示： 1） 夹板和砖块相对于机器人底座回转轴 1 产生的离心力 F1、F2； 2） 夹板相对于搬砖机械手回转轴 2 产生的离心力 F3； 3） 砖块第33卷第8期2011-8(下)【11】机器人相关参数 m1 2kg，m2 8kg，b 0.35m； R 1.85m、r 0.35m；1 3.14rad/s，221 7.16rad/s，2 6.10rad/s，2 36.16rad/s ；J2 0.49kg m2，代入上式，计算得：因此，夹板1 受到的动态载荷为F1F2F3F4 402.94N，经上述分析计算，搬砖机械手夹板在运动过程中承受的最大负载 ( 动态负载与静态负载之和 ) 为 562.94N，这是气动系统选型计算的主要参数，也是结构设计、校核的依据。为减轻重量，采用 8mm 厚的钢板，对优化前有限元模型施加总载荷 562.94N，夹板连接处应力最大，最大应力为 313.50MPa，如图 4(a) 所示，夹板的最大位移为 1.90mm 如图 4(b）所示，在夹板最下方。因为es 313.50MPa 235MPa，所以8mm 夹板如不做结构改进，不能满足应力和变形要求。3.2 夹板结构优化设计为进一步减轻重量，在原先设计的夹板上进行打孔处理，分析得到框架的最大应力为323.70Mpa，变形为 1.91mm，应力和形变都稍有增大。然后在夹板与机械手上部连接部位增加两块加强筋，如图 5 所示。3机械手结构优化机械手所有主梁和支撑梁采用铝合金型材，中空的方形结构质量轻、强度大、刚性好，优化设计的空间不大。机械手下部的六块夹板承受砖块的静、动载荷，强度要求高，也是确保砖块安全搬运的关键，如何在满足结构强度和刚度前提下，减轻夹板的重量是机械手优化设计重点。3.1 夹板有限元分析根据分析精度的要求，选用三维有限元单元进行分析，本文采用 UG 软件对机械手进行实体建模（如图 2 所示） 及有限元分析。运用 UG Nastran进行网格划分，采用 CTETRA(10) 实体单元对框架进行划分，有限元模型如图 4 所示。夹板材料为 Q235 钢，弹性模量 E 206Gpa，泊松比 0.25 0.3，屈服极限。碳钢、铜、铝的塑性材料通常以屈服形式失效，宜采用第三第四强度理论校核。而第三和第四相比，第三强度理论偏于保守。出于安全的考虑本文采用第三强度理论。夹板是通过板上的六个孔连接下面的部件所以将夹板上的孔简化为固定支座，所以方向位移为零。图5打孔、增加加强筋的夹板分析后得到的应力和位移如图6 所示。由分析可知，优化后的框架最大应力为154.83Mpa 如（a）(b)图4机械手夹板的应力和变形图【12】第33卷第8期2011-8(下)【下转第20页】很好地还原实际模型的颜色和地貌。5结束语本文从三维喷绘机器人系统的各个组成部分进行介绍，提出了一种可用于大幅面真彩色三维模型快速加工的机器人系统，在设计上采用模块化、通用型设计，为后续三维喷绘的发展提供一个平台，有利于该行业的标准化发展。同时，实验结果表明，本系统已经能够设计并制作出三维地理模型产品，可以广泛运用于军事沙盘、广告模型以及艺术设计等多个领域。参考文献：1 徐承子. 大幅面喷绘的发展趋势 J. 丝网印刷 , 2008,3(1): 33-36.2 侯印伟.从发展低碳经济看UV平板喷绘机的优势J. 丝网印刷, 2010.1: 29-31.3 陈新伟.三维喷绘机器人喷墨机理研究M.天津: 南开大学, 2009.4 Gazeau Jean-Pierre,Zeghloul Said,Ramirez-TorresGabriel. A novel 5-axis robot for printing high resolutionpictures from media on 3D wide surfacesC.InternationalConference on Industrial Technology, 2009, 1-6.5 陈省身,陈维桓.微分几何讲义M. 北京: 世界图书出版公司, 2006.6 Chen xinwei, Liu Jingtai,Sun lei,etc. Ink Drop and ColorDistortion Modeling in Three Deimensional PrintingC.World Congress on Intelligent Control and Automation,2010, 335-340.【上接第12页】（a）(b)图6打孔、增加加强筋的夹板的应力和变形图图 6(a) 所示，最大变形为 0.25mm 如图 6(b) 所示，满足强度和变形要求，最后确定采用该方案。手的重量，降低了生产成本，提高了工作效率。参考文献：1 张峰. NX Nastran 基础分析指南M,北京: 清华大学出版社, 2005.2 付铁, 李金泉, 杨向东, 丁洪生. 新型码垛机械手的动态载荷计算与选型J. 北京理工大学学报, 2008.3 芮执元, 马占义. 铝锭码垛机械手框架的应力分析与优化J, 机械设计与制造, 2010.4 李成伟, 贫超. 码垛机器人机构设计与运动学研究J. 机械设计与制造, 2009.5 曾孔庚, 王宏庆, 丁原彦. 高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点J. 机器人技术及应用, 2001.4结束语在码垛机械手的设计中，动力分析与结构优化至关重要，本文以某公司设计、生产的基于高速四轴码垛机器人的搬砖机器人的末端执行装置 ( 机械手 ) 为研究对象，从动力学的角度，详细分析了机械手的动态载荷，以此为基础，运用有限元分析软件 UG Nastran 对机械手在搬砖运动的状态进行受力分析，对夹板结构进行了优化和校核，在满足结构强度和刚度前提下，减轻了机械【20】第33卷第8期2011-8(下)
