基于ANSYS的混联码垛机器人主要部件受力分析

王红州，邹晓晖，陈润六，郑小民

（江西省机械科学研究所，江西南昌330002）

基于ANSYS的混联码垛机器人主要部件受力分析

王红州，邹晓晖，陈润六，郑小民

（江西省机械科学研究所，江西南昌330002）

一种混联码垛机器人主要由大臂和小臂组成，大臂的摆动与俯仰运动采用2-UPS/U并联构型来实现，小臂串联在大臂上。混联机器人整体刚度好、稳定性好，但并联结构的受力情况较复杂，因此需要对主要部件进行受力分析。采用ANSYS软件对混联码垛机器人的主要部件进行了受力分析，并制造了样机进行验证。

混联机构；码垛机器人；受力分析

市场上的码垛机器人主要采用串联结构，而串联机器人驱动部分安装在关节处，造成机器人本体笨重、惯量大，且有误差累积[1]。与之相对的并联机器人具有高精度、高速度、高负载能力、无误差累积等，但其工作空间较小[2]。因此，针对串联、并联机器人的特点，江西省机械科学研究所研发了一种混联结构的码垛机器人[3-5]。该机器人主要由大臂和小臂组成，大臂的摆动和俯仰运动通过2-UPS/U并联结构实现，小臂串联在大臂上。承力最大的大臂与两个电动缸构成了一个三棱锥结构，结构稳定性很好。

本文应用ANSYS软件对江西省机械科学研究所设计的混联码垛机器人进行了主要部件的受力分析。

1 混联机器人结构简介

混联码垛机器人的主要结构由大臂、小臂、回转台、平行连杆、保持架、末端夹持器以及三个驱动电动缸组成。回转台通过转动副与机架连接，大臂通过转动副与回转台连接，大臂通过转动副与小臂连接，平行连杆连接回转台、保持架与末端夹持器。三个电动缸是驱动，其一通过转动副连接大臂与小臂，另外两个一端通过虎克铰连接机架，另一端通过球铰连接大臂。混联码垛机器人具体结构图如图1、图2所示。

图1 混联码垛机器人结构图

图2 混联码垛机器人虚拟样机

2 混联码垛机器人受力分析

为了提高混联码垛机器人关键部件的可靠性，采用ANSYS软件对大臂和底座进行了受力分析。

2.1 大臂的分析

大臂是码垛机器人承载最大的部件，对大臂进行受力分析十分有必要。大臂的受力情况可从两方面进行分析。第一，固定一端，A、D两点固定，在B、C处加载左右各20 kN的力，图3所示为加载力及大臂应力云图；第二，固定两端，A、B固定，在CD处加载竖直各20 kN的力，图4所示为加载力及大臂应力云图。

图3 一端固定大臂加载力与应力云图

图4 两端固定大臂加载力与应力云图

2.2 底座的分析

底座通过承载两个驱动电动缸将机器人大臂、小臂支撑起来，是关键受力部件。考虑支撑点受力较大，因而在承载电动缸的B、C两点分别加竖直方向20 kN载荷，其加载力及应力云图如图5所示。

图5 底座加载力与应力云图

对码垛机器人的大臂与底座进行受力分析，发现最大应力都不超过100 MPa，材料可选普通碳钢即可。

3 码垛机器人的样机验证

按照虚拟样机模型，绘制工程图并制造加工样机一台，如图6所示。样机加载运行后验证机器人主要部件的受力情况良好，能够满足实际码垛需求。

图6 试验样机

4 结束语

本文介绍了一种混联码垛机器人，使用ANSYS进行了主要部件的受力分析并制造了样机进行验证，得出如下结论：（1）大臂受载后形变在可接受范围；（2）底座受载后形变也在可接受范围；（3）样机运行流畅，能满足实际使用的需求。本文的分析为后续的产品制造可提供一定的理论实验依据。

[1]朱思俊.少自由度并联机构运动学及五自由度并联机构的相关理论[D].秦皇岛：燕山大学，2007.

[2]黄真，赵永生，赵铁石.高等空间机构学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]王红州，郑小民，陈润六，等.基于螺旋理论的并联码垛机器人构型综合[J].制造业自动化，2014，36（7）：108-111.

[4]郑小民，王红州，高健，等.一种混联码垛机器人机构的设计及仿真[J].南昌大学学报（工科版），2014，36（4）：384-388.

[5]邹晓晖，王红州，陈润六，等.一种新型混联码垛机器人的设计与分析[J].制造业自动化，2016，3，8（11）：91-94.

Force Analysis of Main Components of Hybrid Palletizing Robot Based on ANSYS

WANG Hong-zhou，ZOU Xiao-hui，CHEN Run-liu，ZHENG Xiao-min
（Jiangxi Mechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi 330002，China）

A hybrid palletizing robot is mainly composed of arm and forearm.Using 2-UPS/U structure，the arm can achieved swing motion and pitch motion，and forearm series on the arm.Hybrid robot have the advantage of high stiffness and stability.Due to the force of the parallel structure is complex，we need to analyze for the main components.This article made a force analysis of main components of hybrid palletizing robot based on ANSYS，and proved it use a physical prototype.

parallel series mechanism；palletizing robot；force analysis

TH112

A

1672-545X（2017）06-0011-02

2017-03-06

1.江西省重点科技成果转移转化计划项目编号为20161ACI90009；2.江西省科技支撑重大项目（20152ACE50009）

王红州（1986-），男，河北邯郸人，工程师，研究方向：机器人与并联机构。