采用SolidWorks的高速重载码垛机器人的静力学分析和结构优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津大学机械工程学院 作者:梅江平

  以所设计的一种四自由度高速重载码垛机器人为研究对象,建立其简化三维模型。采用机械仿真设计软件Solid-Works Simulation 工具首先对模型中零件底座、末端执行器进行静力学分析,并根据分析结果优化其结构,然后对整机在最大载荷情况下的几个典型位姿进行分析,得到整机在工作空间内的应力、应变和位移云图,并进一步优化杆类零件壁厚。对零件的优化提高了码垛机器人的静刚度和动力学性能,通过对整机的分析得到了码垛机器人在工作空间内的静刚度分布特性,为码垛机器人的设计提供了参考依据。

  近年来,随着机械自动化水平和劳动力成本的不断提高,高速重载搬运机器人在各类产品生产线上已得到了广泛应用。尤其是产品码垛工序,机器人以其在适用范围、灵活性、成本以及维护等方面的优势使其应用越来越广泛,并成为一种发展趋势。在这种形势下,杭州娃哈哈集团有限公司与天津大学等单位共同研发了一种用于产品码垛的高速重载搬运机器人。该机器人最大抓取重量为300kg,搬运能力为800 次/小时,位置重复精度为±0. 5mm。整机主要由底座、大臂、前臂和末端执行器四个关节组成,能实现四种运动: 底座旋转、大臂前后运动、前臂上下运动和末端执行器的回转运动,即四个自由度。在结构上的特点为: 包含三个平行四边形结构,其中大臂外侧的平行四边形机构Ⅰ,在保证前臂和前臂驱动臂具有相同转速的同时可将电动机安装在底座上,使机器人的动力学性能得到改善; 另外两组耦合平行四边形机构Ⅱ、Ⅲ起到保持末端执行器水平姿态的作用。码垛机器人机械结构简图如图1 所示。

  在设计研发机器人阶段,对其进行静力学分析是必不可少的步骤。通过静力学分析,可以得到机器人在外力( 力矩) 作用下的应力、应变及位移分布,根据分析结果能够清楚地了解设计中存在的缺陷及结构中出现的薄弱环节,并据此进行优化设计。本文借助机械仿真设计软件SolidWorks Simulation 工具,对该码垛机器人的主要构件和整机典型位姿进行了静力学分析,根据分析结果对部分零件机械结构进行优化设计,得到了整机在最大载荷情况下工作空间内的静刚度分布特性,并进一步优化大臂、前臂壁厚,最终达到提高其整机末端静刚度、位置精度和动力学性能的目的。

  本文对码垛机器人主要构件和整机进行了静力学分析,并根据结果做出结构优化,得到如下结论。

  1) 对于底座和末端执行器这种形状不规则的零图16 整机末端最大位移随壁厚变化的关系曲线件,根据应力、应变分布云图,在正确位置增加筋结构可以显著提高其静刚度。

  2) 码垛机器人的末端静刚度随其在工作空间内的不同位姿而发生变化。在最远端附近静刚度最小,最近端附近静刚度最大。

  3) 综合考虑节省材料和码垛机器人末端位移最小,优化大臂、前臂壁厚为18mm。

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