基于油田管类产品堆垛机器人结构设计和强度分析

刘文波， 远桂方

（1.沈阳理工大学，沈阳110168；2.沈阳工学院 机器人研究所，辽宁 抚顺113122）

0 引言

堆垛机器人是伴随着自动化立体仓库而兴起的专业起重设备，一般被人们称为堆垛机或者堆垛机器人。它是自动化立体仓库的核心设备之一，是主要的货物存取设备。随着计算机控制技术和物流仓储技术的发展，堆垛机应用越来越广泛，技术性能越来越好，同时为了满足大型立体化仓库的要求，其整体高度不停地攀升，基于特殊产品存储，堆垛机器人机构设计在某些方面需要改进。如针对某油田钻井油泵管类产品存储。直径60～150 mm，厚度10 mm，长度3～12 m不等管类产品的存储，需要设计特殊抓取装置机械手进行抓取，为了满足抓取稳定性要求，需要保证整体机构强度满足要求，特别是机械手部分强度可靠，对机械手进行机构优化设计，强度分析，满足异型堆垛机器人的高效稳定存储。

1 异型堆垛机器人概述

堆垛机器人一般由金属结构（包括双立柱、上横梁、下横梁）水平行走机构、起升机构、旋转机构、伸缩臂机构、抓取机构和电器控制柜等各大部分组成，双立柱堆垛机器人的外形结构如图1所示。

图1

水平行走机构装在机架双下横梁上，使堆垛机沿水平方向在巷道中进出运动；起升机构置于双立柱内，伸缩臂沿双立柱的导轨上下移动；两伸缩臂在起升机构作用下分别沿双立柱同步移动；使伸缩臂能停留在指令所指层；伸缩臂由二级伸缩机构组成，二级杆伸展到最大行程处停止，机械手腕部机构在二级杆上进行寻址定位，进而完成抓取（存放）动作。

堆垛机器人金属机构是堆垛机器人的主要承载部分，主要由双立柱、上横梁、两个下横梁和旋转台等部件承载。堆垛机器人整体机构简图如图2所示。整个机构原理：水平运行由四轮机构来实现，2个主动轮、2个从动轮置于下横梁，横梁端部设有缓冲器；两横梁上装有旋转平台，旋转平台上有两立柱，两立柱上有上横梁和起升机构，上平台及以上部分机构可相对下平台做0°～360°旋转运动；旋转平台上有两立柱及起升机构和平衡机构；机械手随伸缩臂沿两立柱上下移动，机械手又可以沿伸缩臂移动；上横梁安装滑轮或链轮机构、上水平导轮、电缆拖挂机构或者滑触线供电装置、平衡机构导轮等部件。

图2 堆垛机器人结构简图

2 堆垛机器人的整体控制

控制系统是堆垛机的重要组成部分，堆垛机需要在自动化立体库中穿梭并完成存取货的功能，必须具备水平行走、垂直提升、旋转、伸缩臂伸缩和抓取（放松）5个自由度，并且具备较好的速度控制和准确的定位功能。

该堆垛机器人的控制系统主要有上位机、触摸屏、PLC可编程控制器、水平行走控制系统、垂直提升控制系统、旋转台旋转控制系统、伸缩臂伸缩控制系统、机械手控制系统、层认址系统、列认址系统、货格认址系统、货物检测系统和极限保护系统等组成。由于实际要求堆垛机具备手动控制、半自动控制及计算机控制三种控制方式。其水平行走最高速度为30 m/min，垂直提升最高速度为10 m/min，最高速度为10 m/min的情况下达到±3 mm定位精度。兼顾低成本高效率的原则，确定水平行走控制选择伺服驱动器＋伺服电机控制模式，垂直提升、旋转转向、伸缩臂伸缩和机械手抓取系统选择变频器＋三相异步电动机控制模式，该堆垛机器人的控制系统结构拓扑图如图3所示。

图3 控制系统结构拓扑图

3 结构验算

机械手结构滑板轨道是主要的承受重力部件之一，机械手滑板轨道结构图如图4、横截面如图5。

机械手部分受力主要是支撑板（滑轨）滑轨受力，在机械抓达到最大行程处，滑轨受重力分别为F1和F2，机械手腕的支撑力F，如图4所示。机械手滑轨危险截面在中心处，应进行应力分析检验其极限强度是否满足要求。最大油管长12 m，壁厚10 mm，直径160 mm，其重力为420 kg，机械手上有伺服电机5 kg，M=450 kg。

整个机构相当于简支梁机构，可以画出立柱的弯矩图和剪力图。

F1引起的弯矩图和剪力图见图6，计算得：M1max=-146081.25 N·mm，Q1max=-551.25 N。

由F引起的弯矩图和剪力图见图7，计算得：Mmax=165375 N·mm，Qmax=1102.5 N。

图4

图5

F2引起的弯矩图和剪力图见图8，计算得M2max=-41343.75N·mm，Q2max=-551.25 N。

滑轨受力的合成弯矩图和合成剪力图如图9所示。从图中可以看出滑轨中心点C处为危险界面Mmax=63393.75 N·mm，Fmax=551.25 N。

图6 滑轨上F 1及其弯矩图和剪力图

单个机械手整个滑轨结构有2个工型梁承受支承受力，每个工型梁在C点是危险截面。材料选用合金结构钢20Cr。应该验算是否满足强度要求。截面C处剪力 Qcmax=551.25 N，Mcmax=63393.75 N·mm。其横截面如图10，截面可分为3 个部分 A1、A2、A3，计算其惯性矩 Iz1、Iz2、Iz3。

图7 滑轨上F及其弯矩图和剪力图

3个截面的面积A1=225 mm2，A2=600 mm2，A3=225 mm2。

根据平衡移轴公式，3个截面对中心轴的惯性矩计算分别为：

其中 Iz1′、Iz2′、Iz3′、分别为3 个截面对各自形心轴的惯性矩，将三截面对中性轴Z的惯性矩相加，得：Iz=Iz1+Iz2+Iz3=3.0875×105mm4。

图8 滑轨上F 2及其弯矩图和剪力图

计算整个截面上半部分的静矩S，得到两个截面上半部分静矩分别为：SA1=2671.875 mm3，SA2=3000 mm3。

截面的最大弯矩Mmax=63.394×103N·m，Qmax=G/8=551.25 N。

前面计算已得到Iz=3.0875×105mm4，则抗弯截面系数w=Iz/e2=1.235 ×104mm3，Iz/S=54.435 mm。

图9 滑轨总的受力及其合成弯矩图和剪力图

以下进行强度校核计算：

1）校核正应力强度。

材料的许用应力：［σ］=σs/ns=540 MPa÷5=108MPa，

图10 直轨截面图

材料的强度满足条件：σmax<［σ］。

2）校核剪应力强度。

选 σs=235 MPa，而许用应力［τ］=235÷5=47 MPa，则 τmax<［τ］，满足强度条件。

4 结论

本文对异型堆垛机器人进行了机械手直轨做了静力学分析，满足力学要求，针对油田油泵类产品的自动化存储，设计出的新型堆垛机器人进行了结构论证，在传统控制系统的基础上进行了控制系统的设计论证，可满足有泵类产品的自动化、智能化存储要求。