经轴上落机器人空轴机构设计与分析

陈威望+刘汉申+张洪

摘 要：阐述了机器人的机械结构及工作原理，设计出双层货叉机构执行空轴上轴并对其工作原理做出详细分析。首先利用理论力学计算出货叉的几何尺寸范围，再结合整经机生产过程的工艺要求，确定双层货叉的具体外形尺寸，并利用ANSYS Workbench软件对货叉受力最大位置进行仿真分析，找到最大形变、应力和应变值。本设计为实际生产提供理论支持。

关键词：整经机；经轴；机器人；双层货叉；ANSYS Workbench

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.036

随着纺织行业的发展，纺织车间里自动化生产程度日益提高，整经作为织前准备的一道重要工序，其运输和上落目前还是由人工进行操作，自动化程度低、费时费力[1]。因此整经机经轴上落运输机器人的研发，为纺织行业无人化车间的实现奠定了一定的基础。

1 经轴上落机器人整体机械结构和工作过程

如图1所示，为经轴上落机器人的整体结构示意图，为实现满轴落轴、空轴上轴的一体化，机器人采用上下结构。相对质量较小的空经轴布置在上部。满轴质量较大，置于机器人底部。机器人工作过程：当机器人装载好空轴运动到整经机车头前指定位置，此时空轴在提升托臂3和双层货叉机构5的配合下停留在如图A位置。经纱卷绕完毕，空置的满轴上落小车9由B位置沿着满轴上落小车轨道11运行到整经机车头前D位置并把满轴自动装载到小车上，小车沿着轨道退回到B位置。满轴落轴完成后，提升电机4控制提升托臂把空轴从位置A点降到位置C点，空轴由C位置运送到D位置，完成上轴，货叉缩回。随后机器人运送满轴至满轴库，完成卸载后，回到待机点为下次上落经轴做准备。

2 经轴上落机器人货叉机构工作原理

为节省机器人的空间占用，尽可能在设计时使结构简单，并使空轴在上落时前后伸缩平稳，货叉机构采用齿轮齿条直线差动机构的工作原理[2-3]。货叉机构工作原理：如图2所示，下层货叉固定在提升托臂上，齿轮2和伺服电机4装配后安装固定在下层货叉7上，齿条3安装在上层货叉1上，空轴托臂11安装在上层货叉1的前端用来拖取空轴10。当货叉工作时，伺服电机4上的齿轮2传动齿条3实现上层货叉1的前后伸缩，与提升托臂配合工作实现空轴的上轴。

3 经轴上落机器人货叉机构计算与有限元分析

3.1 双层货叉尺寸计算

由上述两个公式可得到与关系式，因伺服电机安装在上层货叉和下层货叉之间并固定在下层货叉上（如图2所示），双层货叉上下面之间需要一定空间，经分析托起空经轴的力主要由上层货叉两边的钢板来承受，因此取为15mm，为150mm。

3.2 双层货叉的有限元分析

（1）建立双层货叉模型。结合双层货叉的特点，本文采用Solidworks 软件建建立双层货叉的三维模型。主要分析双层货叉前伸长度最大时变形情况，因此设定货叉前伸最大长度为初始状态。为了缩小计算时间，对该模型进行简化处理[5]。忽略次要特征，例如托臂倒角、圆角、连接螺栓等，双层货叉上安装的齿条和电机也忽略。

（2）材料特性及网格划分。双层货叉的钢材材料采用Q235-B。有限元中均采用标准单位，双层货叉的设计单位为mm，因此对其材料属性的单位进行换算，泊松比取0.3，弹性模量取2.0e5MPa，屈服强度为235MPa。本文采用自由划分和映射划分并用的方法，规则的结构采用自由划分网格，不规则的采用映射划分网格，使分析更加准确可靠[6]。本次有限元分析的目的是得到双层货叉托取空轴时最大伸长处的应力应变。双层货叉的有限元模型共包括108406个节点，53013个单元。有限元模型如图4所示。

（3）计算结果分析。双层货叉托取空轴时，只有上层货叉前后伸缩运动，因此将下叉看做固定面。空轴质量为160Kg，为保证双层货叉在实际应用中的安全性，设计托臂最大载荷为240Kg（安全系数取1.5倍）。经过有限元求解，如图4得到双层货叉的应力云图、y轴位移云图。

从以上分析可知，图4中云图最大应力是72.9MPa，小于许用应力235MPa；图4中最大应变为0.52mm，小于L/1000=1mm。因此双层货叉机构满足工程要求。

4 结论

本文通过对整经机经轴上落机器人的整体结构及工作过程进行简要介绍，主要对空轴上落机构中的双层货叉的设计做了详细介绍。并应用ANSYS Workbench软件对货叉的应力、应变和总变形量进行分析计算，得到了最大托臂的最大应力、应变和形变，为双层货叉设计的可行性提供了理论依据。

参考文献：

[1]陈革.杨建成.纺织机械概论[M].北京：中国纺织出版社，2011：5.

[2]梁睦.堆垛机3层货叉直线差动机构的设计[J].起重运输机械，2005（03）：32-33

[3]程军红，梁睦等.齿轮齿条直线差动行程增倍机构的设计与应用[J].机械传动，2005（04）：73-74.

[4]孙国钧，赵社戌.材料力学[M].上海：上海交通大学出版社，2015：3.

[5]王晶，神会存，汪友刚.三轮摩托车车架的有限元分析[J].中原工学院学报，2010（05）：22-25.

[6]寧波，吕志军，娄文斌.基于AnsysWorkech的堆垛机机构分析与优化[J].机械设计与制造，2012（06）：71-73.

作者简介：陈威望（1987-），男，在读研究生，主要从事新型纺织机械方向的研究。endprint