自动保管箱存取机械手立柱结构的优化设计

黎建，康献民，王柱，刘青庭，王大承



自动保管箱存取机械手立柱结构的优化设计

黎建，康献民，王柱，刘青庭，王大承

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

针对某型号自动保管箱存取机械手立柱的结构特点和受力状况，运用有限元软件ANSYS Workbench对其立柱进行建模及静力学分析，并对立柱壁厚进行优化设计，使优化后的立柱在满足刚度和强度的前提下质量减轻了46.8%，研究结果对立柱的制造和提高存取机械手的工作性能具有指导意义.

存取机械手；有限元方法；静力学分析；结构优化；ANSYS Workbench

自动保管箱是现代银行保管箱系统的一种自动存取设备[1]，存取机械手是其重要的组成部分，它按照指令在两存储架之间运行，并通过拉伸机构把目标保管内箱存入或取出相应的储架. 存取机械手运行时，其主要的承载构件立柱不仅受到载货机构以及保管内箱的静载荷，同时还受到因运行派生的动载荷，上述载荷与其质量密切相关，并关乎机械手能否快速且稳定地运行，故减轻立柱的重量，对于降低存取机械手的制造成本，提高存取机械手的行走速度以及平稳性意义重大[2]83.

1 有限元模型的建立

存取机械手由底座机构、立柱、载货机构以及配重机构等构成（如图1所示）[3]. 立柱是存取机械手主要构成部件，它由壁厚8 mm的方管与方钢焊接而成，截面尺寸如图2所示，立柱与底座通过螺栓连接起来. 本文研究对象是立柱，如果仅仅对立柱建立有限元模型，将无法正确施加约束及载荷，从而导致分析结果不准确. 为保证分析和优化结果的准确性，本文通过对立柱及其载货机构建模，且取载货台在立柱最上端极限位置，得到立柱的最大变形量[5].

图1 存取机械手结构

图2 立柱截面尺寸/mm

图3 立柱的的有限元分析图

本文采用ANSYS Workbench内含的CAE建模工具Design Modeler对立柱壁厚进行参数化建模，解决了通过其他软件建模导致一些参数丢失的问题，可使结果更加准确. 在对其进行有限元分析时，建立正确的有限元模型是关键的一步，而存取机械手结构复杂，为了方便运算，需要对其进行有效的简化处理，删除一些对立柱强度和刚度影响不重要的零件[2]84. 根据以往有限元分析经验，对网格划分时，网格的数量对分析结果的精度有直接的影响，网格数量过少时，会影响分析结果的精度，而数目过多时又大幅增加了运算时间[5]. 因此对立柱进行网格密分，其他零件网格疏分，即不影响结果精度同时又减少了计算工作量，仿真模型如图3-a所示，网格划分如图3-b所示.

1.1 定义材料特性和单元属性

在进行有限元分析时，材料属性包括杨氏模量、密度和泊松比. 在进行有限元单元矩阵计算时，材料属性作为运算参数影响分析结果. 立柱材料是Q235，其焊接性能好，市场上也较常见，价格低，根据文献[6]的研究结果，取安全系数=3，则=s/=235/3=78.33 MPa. 按照有限元分析要求，应定义如下材料属性：杨氏模量2.13×105 MPa，密度7.83×103 kg/m3，泊松比0.3. 由于载货机构结构复杂、材料种类多，可通过对立柱的受力分析给出相应的等效密度. 由于载货机构不是本文分析的重点且其材料主要也是Q235，所以其杨氏模量与泊松比按Q235材料给出，以保证分析结果的可靠性.

1.2 承载与约束处理

图4 立柱的承载分布与约束图

图 5 有限元分析结果

2 立柱的结构优化

ANSYS Workbench中的Design Xplorer模块是对Workbench参数分析功能的极大扩展，利用其试验设计（DOE）和响应面功能可获得产品性能与设计参数之间的关系，也提供了SDPD仿真驱动设计所需要的所有信息，可实现对零件及其组合件最优化的设计[7]. ANSYS Design Explorer[8]248~249分析结果与定义参数可以通过响应图表方式显示.

根据设计要求，立柱的最大变形不能超过0.2 mm，最大的应力不能超过79.33 MPa，在强度和刚度满足条件的情况下，对立柱进行轻量化设计. 根据存取机械手的结构，只对立柱壁厚进行优化，在优化过程中，首先对立柱壁厚进行参数化建模，此时立柱壁厚为定义参数. 然后定义立柱整体最大变形以及立柱整体最大等效应力为分析结果. 最后启动DOE分析，定义输入参数数值的范围，输出参数根据输入数值进行相应的求解. 为了达到本文研究目的，定义输入参数范围为3～8 mm（方管GB/T6728），得到的响应图表如表1所示.

表1 立柱结构分析的响应图表

分析响应图表可知，原立柱壁厚为8 mm，远远满足最大变形不超过0.2 mm和最大的应力不超过79.33 MPa的要求；当壁厚为4 mm时，立柱最大变形为0.189 95 mm，等效应力的最大值为4.084 40 MPa，同样满足要求；而当立柱壁厚为3 mm时，立柱整体最大变形为0.222 70 mm（大于0.2 mm），不符合设计要求. 即立柱壁厚4 mm为满足刚度和强度要求的最轻的立柱.

3 结论

本文通过ANSYS Workbench 内含的CAE建模工具Design Modeler对立柱壁厚进行参数化建模，解决了其他软件建模导致一些参数丢失的问题，使结果更加准确. 对立柱结构的有限元静态分析分别得到它们的变形云图和应力云图，在此基础上进行结构优化，最终得到比较合理的结构优化方案，当立柱壁厚为4 mm时，既满足了最大变形不能超过0.2 mm和最大的应力不能超过79.33 MPa的情况，又使得立柱的质量减轻了46.8 %，从而降低了制造成本，有效提高了存取机械手行走的速度和稳定性，延长了其使用寿命.

[1] 陈启武. 保管箱业务调查[J]. 农村金融研究，2004(9): 1-3.

[2] 郑玉巧，黄建龙，赵荣珍，等. 基于有限元分析的单立柱堆垛机结构优化与改进[J]. 工艺与装备，2010(9): 83-85.

[3] 李平然. 全自动保管箱[P]. 中国专利：201020544037.8, 2010-09-21.

[4] 郭环，禹永伟. 自动化立体仓库中堆跺机的设计[J]. 物流技术，2002, 114(3): 17-18.

[5] 金晶，吴新跃. 有限元网格划分相关问题分析研究[J]. 计算机辅助工程，2005, 14(2): 75-78.

[6] 申磊，董平，吴凤林. 基于Pro/E和Ansysworkbench四柱液压机上横梁的结构优化设计[J]. 机械管理开发，2009, 24(2): 10-12.

[7] 汪宇，王东方. 基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计[J]. 制造业自动化，2009, 31(9): 129-131.

[8] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010.

[责任编辑：韦 韬]

Optimization Design of the Access Manipulator’s Column ofAutomatic Deposit Box

LIJian, KANGXian–min, WANGZhu, LIUQing–ting, WANGDa–cheng

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Aiming at the structure characteristics and stress conditions of access manipulator’s column of the certain automatic deposit box, the access manipulator’s column is modeled and statics analyzed by ANSYS Workbench. The wall thickness of column is optimized that makes the weight reduced 46.8% by ensuring the rigidity and the required strength of column. The stability, work performance and service life of access manipulator are all improved.

access manipulator; finite element method; statics analysis; structure optimization; ANSYS Workbench

1006-7302（2013）01-0055-04

TH122

A

2012-10-15

广东省教育厅科研平台资助项目（GCZX-A1008）

黎建（1988—），男，湖南耒阳人，在读硕士生，主要从事自动化设备设计及其仿真研究；王大承，教授，硕士生导师，主要从事智能控制与测试、特种加工及摩托车设计的研究.