一种水平关节重载机器人的仿真分析.docx

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一种水平关节重载机器人的仿真分析

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曹振波李呼高世卿赵亚川皮景峰

摘?要:本文提出了一种水平关节重载机器人,通过机器人的D-H参数找出了最恶劣工况,并通过对三维模型的简化、加载、约束、网格划分、计算和后处理,计算了最恶劣工况下机器人的应力和变形等仿真结果,并进行优化。优化后的机器人应力满足材料许用应力和安全系数,变形满足机器人的控制精度要求。该机器人结构更加简化,节省空间占用,自重轻,自动化程度高,能够在物料移运领域有更广泛应用。

关键词:水平关节?重载机器人?仿真分析

:TP242????????????????文獻标识码:A???????????:1674-098X(2020)02(b)-0099-03

随着工业的不断发展,机器人在制造、装配、航天、汽车、冶金、电子电气、军工等领域的应用越来越广泛,对机器人的负载的要求也越来越高。重载机器人在搬运、上下料、移载等领域的优势使其使用场合也在逐渐扩大。在使用重载机器人的场合,其负载有以下特点:

(1)尺寸较大,重量较重,需要吊车或其他机械设备移运;

(2)移运为重复性劳动,工人操作设备易疲劳,工作可靠性差;

(3)操作空间受限。

为了满足上述使用要求,本文提出了一种水平关节重载机器人,并对其进行了受力分析和强度、刚性仿真分析分析。该机器人具有足够的强度和刚性,能够满足移运工作的需要。与现有机器人相比,该机器人结构更加简化,节省空间占用,自重轻,自动化程度高,期待在物料移运领域有更广阔的的应用。

1?水平关节重载机器人的机械结构

如图1,水平关节重载机器人包括小臂和大臂。小臂与大臂之间用回转支承联接,大臂和大臂支承座之间用回转支承联接以大臂支承座为基础坐标系,则机械臂的DH参数见表1。

因此T矩阵为:

通过Solidworks软件对大臂、小臂分别进行质量属性测量,得到:

大臂质量m1=240kg,小臂质量m2=150kg,小臂、大臂最大角速度均为0.175rad/s,小臂、大臂角最大加速度均为0.087rad/s2。当小臂与大臂角速度方向相同时小臂离心力最大。

2?仿真分析

水平关节重载机器人仿真分析采用Solidworks软件的Simulation插件。

第一步,简化模型。简化标准如下:

(1)压缩了非承载件和装饰件;

(2)压缩了小的安装孔和工艺孔;

(3)压缩了外购件如电机、走线套管等;

(4)用等尺寸圆环代替回转支承,压缩了倒角、圆角;

(5)由于机器人大臂、小臂采用焊接成型,根据焊接要求,焊接强度不低于母材强度,因此建模时适当调整模型尺寸,用接合的方式联接各焊接子件进行分析。

第二步,加载材料。打开要分析的零件,创建算例,选择“静应力分析”;设置零件材料为Q235-B。

第三步,加载重力、远程载荷加载630kg负载重力、加载离心力。在SolidworksSimulation中,可以通过加载离心力的角速度及角加速度方式加载离心力。

第四步,设置零件的“夹具”,将大臂支承座的支承面设置为“固定”约束。加载力及约束图解如图2所示。

第五步,设置网格参数,生成网格。采用SolidworksSimulation的网格生成功能自动生成网格。由于主框架为10mm厚钢板焊接而成,按照有限元分析要求,在型钢厚度方向上至少要生成2层网格,因此网格参数选择标准网格,最大尺寸为55,最小尺寸为1.5,雅克比点选择4点。网格图解如图3。

机器人伸直状态网格,最大单元大小:0.0777828m;最小单元大小:0.0155566m;节总数:318441;单元总数191654。

机器人大臂与小臂呈90°角状态网格,最大单元大小:0.0643407m;最小单元大小:0.0128681m;节总数:306575;单元总数186065。

第六步:运行分析,得到应力及位移图解(见图4,图5)。根据应力和位移的仿真结果对机器人进行优化,优化后重复第一步到第五步,并重新运行分析,得到的结果如下:

根据有限元分析云图可以得到,优化后的机器人,伸直状态下最大应力95.30MPa,最大变形1.048mm;大臂和小臂呈90°角状态下最大应力97.30MPa,最大变形0.9278mm。小臂电机安装孔内为受力最恶劣的位置。应力分布平滑收敛,计算结果能够反映实际情况。

根据设计要求,结构安全系数应该取1.5以上,则机器人本体材料至少应当有97.3×1.5=146.0MPa的屈服强度。Q235-B材料屈服强度为235MPa,满足要求。实际上,机器人本体的安全系数达到220.6÷97.3=2.42。

根据有限元分析云图可以得到,优化后的小臂末端是变形最大的位置,最大变形量1.048mm。按照设计要求,整体最大变形量不超过2

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