码垛机器人整机的有限元分析与优化

李 祥　宗克柱　张延胜（山东科技大学，山东　青岛　266590）



码垛机器人整机的有限元分析与优化

李 祥宗克柱张延胜
（山东科技大学，山东青岛266590）

摘要：码垛机器人通过Solidworks电脑软件对码垛机器人进行控制与组装，码垛机器人的静力和动态行为都是采用Solidworks Simulation对它们从整体和个体进行的分析。四轴码垛机器人一共有8种不同的姿态，通过这8种可以得到相应8种数据分析以及进行的8种方案优化。本文就是从整机的情况下对码垛机器人进行有限的分析和优化。

关键词：码垛机器人；动态分析；整机的优化

随着科技的进步和市场发展的需求，机器人码垛已经逐渐开始代替传统的人工码垛，这将是现代社会工业的一种社会趋势。机器人的出现最早从日本出现的，20世纪中旬的时候国外有很多从事研究机器人的工业，并且就以日本、德国、美国等发达国家的研究已经取得了很大的成就。最早将机器人投入市场使用是在20世纪90年代，它的使用主要的目的是为了弥补工业劳动力缺乏的现状。机器人的生产是社会生产的必然产物，它对社会将做出不可估量的作用。

一、码垛机器人整机的有限元分析

本文将从以下三个方面：码垛机器人的静力和动力学原理；码垛机器人的使用寿命；搬运码垛自动化生产线应用，进行科学性的分析，将机器人的整机结构一一解剖出来。

1 码垛机器人的运动原理

每一款机器人都有它自己的特点，但是它们都是还有共性，所以，就以MD200码垛机器人为例子进行分析。首先，要确定码垛机器人技术参数、对MD200码垛机器人的结构进行分析，通过这些数据得出我们所要构思的整体结构设计方案，并建立D-H运动学数学模型。在对码垛机器人静力学分析及模态分析的基础上，在静力学的基础上选择臂部并联机构，静力作用大的部位进行分析，采用ANSYS Design Xplorer技术对所采纳的数据进行快速优化和合理的分析，并且还会对码垛机器人关键部件小臂、前大臂、后大臂进行轻量化优化设计。通过这一系列的数据分析，码垛机器人关键部件小臂、前大臂、后大臂的强度和刚度满足设计要求的前提下对机器人行程放大系数以及运动学正逆解进行理论分析，并通过ADAMS和MATLAB仿真分析加以验证通过这一系列的数据分析，对整个码垛机器人臂部结构进行静力学强度和刚度分析计算。

2 码垛机器人的使用寿命

Designlife是一款对码垛机器人进行疲劳分析软件，对MD200码垛机器人进行静强度分析，然后通过它其中的工作强度来分析它的效应力最大的极限位姿然后得出码垛机器人的疲劳强度和疲劳寿命。其次，以线性疲劳累积损伤理论为理论基础，联合Workbench有限元分析。最后，结合包装物流生产线的应用现状，论证发展完善搬运码垛自动化生产线的必要性。

3 搬运码垛自动化生产线应用

（1）码垛机器人的自动化生产线的关键结构包括腰座、底座、臂部、腕部等进行了详细的机械设计，并阐述了各个部件的运动特点；借助于solidworks三维实体造型软件，建立码垛机器人整机的三维数模。根据各种三维数模对码垛机器人进行一系列的整合和对比，找出它们生产线的差异，对搬运码垛自动化生产线应用进行更好的运用和投入市场使用。通过对物流自动化生产需求，结合MD200码垛机器人和它内部的内存设置，通过这些合理的设计数据对相应的码垛机器人自动化生产线应用进行更好地设计和配置然后就能够更加对以后的机器人能够生产出更好地内部配置，对它的自动化生产和自动化机器更好地合理优化设计，这样不仅能够降低生产成本，还能够在一定程度上提高市场生产效率。

（2）通过ANSYS Workbench有限元分析软件对码垛机器人进行分析，考察机器人在它的工作过程中也就是分析它最大工况载荷下最具有代表性的四个工作极限位置为分析对象，选取码垛机器人处于工作极限位置时，对其臂部并联机构做整体的模态分析，获得了前六阶的固有频率和振型，为后续的分析提供依据。在对码垛机器人静力学分析及模态分析的基础上，对码垛机器人关键部件小臂、前大臂、后大臂进行了轻量化优化设计，在保证这三个关键部件的强度和刚度满足设计要求的前提下，减轻其质量，有利于提高码垛机器人的整机结构性能，同时也可以节省材料，降低生产成本。

二、码垛机器人整机的优化

1 根据等效应力云图分析出腰座的薄弱环节，通过改进腰座三维模型，使得薄弱环节得到加强，整体应力下降，提高了机器人的整体动态性能。结构简单、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单、所需库存零部件少。

2 占地面积少。有利于客户厂房中生产线的布置，并可留出较大的库房面积。码垛机器人可以设置在狭窄的空间，即可有效的使用。

3 适用性强。当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触摸屏上稍做修改即可，不会影响客户的正常的生产。而机械式的码垛机更改相当的麻烦甚至是无法实现的。

4 能耗低。以前的机械式码垛机的功率一般都会在30kW左右，而我们将要优化的码垛机器人的功率控制在5kW左右。这不仅能够可以节约能量，还能够降低了运行成本。

5 操作界面将更加地简单、方便，它的操作界面将会全部控制放在一个可控制柜屏幕上操作，对相对控制机器人的操作人员要求不高，更加地减低人员成本。

结语

第一，码垛机器人的出现能够提高社会的生产效率，改善的员工劳动环境，在一定程度上还能够保证成品的质量，减少人为的失误。第二，对提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。第三，优化作业布局有着突出的贡献，码垛机器人的优势是工作性能和可靠性高、结构和质量都很好。

参考文献

[1]吴茂敏，陈建，钟允晖，赵燕伟.制鞋涂胶机器人转接点处速度规划及其ADAMS仿真研究[A].全国先进制造技术高层论坛暨第十届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C]，2011.

[2]孙智慧，庞明，晏祖根.基于自适应伪并行遗传算法的包装码垛机器人轨迹规划[A].中国机械工程学会包装与食品工程分会2010年学术年会论文集[C]，2010.

[3]吴启迪，刘成菊，张家奇，陈启军.生物诱导的机器人行走控制研究进展[A].2009年中国智能自动化会议论文集（第四分册）[中国科学（专刊）][C]，2009.

中图分类号：TP242

文献标识码：A