基于机械手悬臂的静力学分析

2019-06-09刘邦雄

科技创新与应用 2019年17期

刘邦雄

摘要：注塑机机械手是一个相对比较复杂的机械结构系统。在整个的机械结构系统中，机械手的主臂和副臂固定在悬臂末端上，因而悬臂结构是整个机械手承重、受力的重要部件。文章对悬臂进行静力学分析，通过静力学分析得到了挠度的最大变形量，为机械手结构的设计提供了参考价值。

关键词：机械手;悬臂;挠度;静力学分析

中图分类号：TQ320.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0074-02

Abstract： The manipulator of injection molding machine is a relatively complex mechanical structure system. In the whole mechanical structure system， the main arm and auxiliary arm of the manipulator are fixed on the end of the cantilever， so the cantilever structure is an important part of the load bearing and stress of the whole manipulator. In this paper， the static analysis of the cantilever is carried out， and the maximum deformation of the deflection is obtained through the static analysis， which provides a reference value for the design of the manipulator structure.

Keywords： manipulator; cantilever; deflection; static analysis

引言

在工业流水线工作过程当中，许多岗位依赖着工人的技能和体力，具有劳动强度大、生产效率低下、产品质量不好等几大难题，因此各大制造行业纷纷引进自动化设备[1]。在橡胶注塑行业中，由于机械手安装便捷，工作流程较为简单的特点，注塑机机械手越来越广泛地应用于企业当中[2，3]。然而机械手工作时要承受一定的载荷，对其悬臂支撑的结构会造成弯曲变形，因此应将弯曲变形的最大位移量控制在一定范围内用以保证悬臂的结构足以支撑机械手的正常运转。

本文以工厂注塑机机械手悬臂结构为研究对象，通过有限元仿真分析软件对悬臂进行静力学分析，求得最大的变移量[4-6]。

1 结构设计

对悬臂部分进行简化，去掉一些非重要零部件，如箱体盖、气缸、缓冲块、定位块等对模型有限元分析影响不大的零件略去。简化之后的结构如图1所示，从图中可以看到，该悬臂部分由电机底板与横行方通相连接，底板与两根悬臂通过螺栓铆接在一起，而后又通过封板进一步把两根悬臂固定住。为了加固悬臂梁结构，设计出两根光杆作为辅助支撑，确保悬臂的刚度。

2 网格划分

对所设计结构进行网格划分，由于悬臂梁结构存在一些比较复杂的部位，同时三维CAD模型文件在转换格式时，可能会出现信息对接存在误差的情况，所以若不对导入的模型进行几何清理，将严重影响网格质量并影响计算的准确性，甚至会出现根本无法求解的情况。通过几何清理，对模型进行检查和修正，对模型进行多余面、抑制边、多余节点等问题的检查，并针对这些问题予以修正。

对模型进行几何清理后，才能对各个部件进行网格的划分。本文研究的悬臂结构组成部件的形状都比较规则，采用2D单元划分，并赋予厚度值。划分好的网格如图2所示。模型中包含的2D网格的节点数为39857个，四边形单元为40594个。

3 添加材料属性

对划分好网格的悬臂部分需要赋予一定的材料属性，由于对悬臂进行静力分析时，各个零件所受到的变形仅为弹性形变。因此根据弹性力学的相关知识可知，仅需要赋予悬臂各零件弹性模量、泊松比和密度即可。本文中悬臂所使用的材料主要为两种，悬臂和光杆采用铝合金6063，电机固定座和光杆固定座采用普通碳素钢Q235，具体的材料属性见表1。

4 添加约束关系与载荷

完成材料属性赋予后的悬臂需要采用多种连接方式以使悬臂结构成统一的整体。零件之间的连接方式有很多种，不同连接方式的选用对模型的计算时间和计算结果的准确性具有重要的影响。大量分析计算和实验结果表明，关键部位的连接位置和类型往往对计算结果的可靠性具有决定性的影响，因此在用有限元方法进行模拟时必须考虑实际情况和特点，严格按照结构设计时确定的连接位置和类型进行连接。本文主要采用的是螺栓连接，连接方式如图3所示。

对添加好约束关系的有限元模型添加载荷，根据悬臂受力情况的分析，在悬臂右侧端部中点位置施加一个竖直向下的轴向载荷，载荷的大小为20N，继续对该点加载，采用间隔40N方式加载，最大载荷加至140N。

5 仿真分析

完成好上述步驟之后，选用HyperMesh中OptiStruct后处理模块进行有限元分析，分析结构如图4所示，图中（a）～（d）分别为载荷为

20N、60N、100N、140N状态下的位移云图。从图4中可以看到，最大位移与载荷成正比关系，当最大载荷为140N时，最大的位移量为0.6823mm。

6 结束语

通过对悬臂部分的简化，导入至HyperMesh中，对其进行离散化处理，然后添加约束与载荷，得到了在相应载荷下的位移云图。分析云图，得知最大的位移量为0.6823mm，满足设计要求，验证了设计的合理性，缩短了样机的研制周期。

参考文献：

[1]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014（09）：1-13.

[2]打造我国塑料机械无人智能化车间凸显母机地位[J].橡塑技术与装备，2015（18）：127.

[3]袁清珂，裴崇，黄俊钦.注塑机械手的参数化设计及振动分析[J].机械设计与制造，2015（05）：171-174.

[4]丁芳，曹天捷.一种微开关悬臂梁的静力变形分析模型及其应用[J].机械强度，2005（04）：460-464.

[5]梁兴复.矩形悬臂板静力弯曲问题的分析[A].中国力学学会《工程力学》编辑部、华侨大学土木工程系、清华大学土木工程系.第四届全国结构工程学术会议论文集（上）[C].中国力学学会《工程力学》编辑部、华侨大学土木工程系、清华大学土木工程系，1995：4.