一种水平关节重载机器人的仿真分析
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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
中图分类号：TP242 文獻标识码：A 文章编号：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Solidworks Simulation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Solidworks Simulation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 = 146.0 MPa的屈服强度。Q235-B材料屈服强度为235 MPa，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2mm，满足要求。
3 结语
本文针对一种水平关节重载机器人，提供了一种与传统方式不同的方案，与传统方式相比，设备更加简化，节省空间占用，自重轻，自动化程度高。
本文对上述水平关节重载机器人进行了有限元分析与校核，通过有限元分析得知，该机器人在最恶劣工况下能够满足使用要求，设计合理。期待这种水平关节重载机器人能在物料移运领域得到广泛应用。
参考文献
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