导轨式机器人桁架的强度设计

李江 曾宪杰 曾宪任

摘要：本文针对漆包线生产线的实际工程问题，设计导轨式机器人桁架结构，采用有限元分析方法对桁架衡梁强度进行校核，完善了桁架强度设计。对初始衡梁设计进行修正，在衡梁中间文章增加一短、小型号矩形钢，增强了结构的强度，提高了结构的刚度，使得新桁架结构在中间位置的最大扰度为0.4mm，符合设计要求标准（小于0.5mm），保证伸缩臂在衡梁上滑行顺畅。

关键词：衡梁  有限元  强度设计

1 概述

某公司漆包线生产的收线位置目前采用人工收线，生产效率低下。漆包线盘规格多种多样，最重规格200公斤/个。为了提高生产效率，特设计一导轨式机器人，取代人工收线工艺，实现自动更换线盘作业。对导轨式机器人的机械结构件中，最主要的是机器人的桁架强度，桁架强度设计集中体现在桁架的衡梁强度设计。

2 机器人桁架衡梁的设计

根据漆包线作业现场，设计机器人的作业范围，衡梁跨度7m左右。整体初步设计如图1所示。衡梁采用空心矩形钢型材截面尺寸为200×300×10（mm），总長7.36m。结构材料选用结构钢Q345B，强度较高，以保障结构强度。Q345B与Q235A价格相差不大，强度上要高很多，焊接性能也适当。

图1  导轨式机器人初步设计结构

3 衡梁强度校核与修正

衡梁设计好后，需要对衡梁机械结构强度和刚度进行校核。从图1中可以看出，上升臂安装在衡量上，并通过直线导轨导向运动。因此衡梁刚度要求较高，否则直线导轨上滑块运动困难，要求衡梁上最大扰度小于0.5mm，可确保导轨滑块滑行顺畅。

本文采用有限元分析方法对衡梁建模并进行有限元分析，得到衡梁上各节点的位移分布及应力分布。实际设计2跟衡梁并行安置，考虑到运动过程的偏载，对1根衡梁加全载分析，提高结构的安全性。首先对衡梁进行三维建模，图2为衡梁的三维模型。

建立衡梁的三维模型后，对衡梁进行网格划分，施加约束及载荷后，进行有限元计算。由于漆包线盘负载约180kg，上升臂约为320kg，得到总负载为500kg。对衡梁模型两端施加约束，中间位置施加总负载，得到衡梁的位移分布及应力分布云图，如图3所示。

图3  衡梁位移和应力分布云图

从图中的应力云图可以看出，衡梁的最大应力为9.24MPa，远小于材料的屈服强度345MPa，衡梁的强度可靠。但衡梁受载后的最大位移为0.769mm，发生在衡量的中间位置，超出了预计的设计要求0.5mm。因此，衡梁结构的刚度欠佳，需要提高衡梁的刚度，减少变形，确保导轨滑块运行顺畅。

由于最大位移出现在中间位置，因此在衡量中间位置下方增焊一短衡梁，以提高结构的刚度。并对横梁建立有限元模型，再次进行强度计算和校核。图4为修正横梁的几何尺寸图。

图4  横梁尺寸图

横梁采用两矩形钢焊接而成，1#矩形钢为300*200*10（mm），2#矩形钢为200*150*8（mm）。由于跨度较大，为了减少1#型钢的变形，特在1#型钢中间下方添加2#型钢。材料均为Q345。同样通过加载中间位置，两端设置支撑点，进行了有限元计算。图5为修正后衡梁在同样载荷下的位移和应力云图。从图中可以看出：中间位置最大位移0.4mm<0.5mm，确保直线导轨正常滑行。结构最大应力为9.68MPa，满足材料强度要求。

4 结论

本文对漆包线生产的一工程实际问题，进行了分析研究。为了提高漆包线生产效率，根据生产现场实际设计一导轨式机器人，并对机器人的核心机构件，即桁架衡梁进行了有限元建模和强度计算，对初始设计方案进行了修正。同时对修正后的衡梁进行校核，结果表明强度和刚度可靠，满足设计要求。

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作者简介：

李江（1958-），男，江苏淮安人，总经理，工程师，研究方向：精密机械关键技术及制造企业综合管理研究。