某桁架机械手结构设计与刚度分析

摘要：桁架机械手是自动焊接生产线的重要组成部分，为了满足某企业叉车门架自动焊接生产线大跨度、高载重、精度高的要求，设计开发出一款有效行程长36 m、宽9.76 m的桁架机械手，其最大载重1.5 t。为了确保其结构性能要求，利用有限元分析工具，验证其最大变形量小于2 mm，结构刚度和强度都满足设计要求；同时桁架机械手制造出来后，经过现场装机测试验证，整体性能指标满足用户需求。

关键词：叉车门架 桁架机械手 结构设计 有限元分析

Structural Design and Stiffness Analysis of a Truss Manipulator

LAO Song1，3 PAN Yajuan2* LI Bei1 LIU Xinyu （Yuxin？）1 LI Fusong2 HUANG Sheng2

WANG Jun2

1.Liuzhou Polytechnic University;2.Liuzhou Institute of Technology;3. Liuzhou Sansong Automation Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545000 China

Abstract：A truss manipulator is an important component of the automatic welding production line. In order to meet the requirements of the large span， high load and high accuracy of the automatic welding production line of the forklift mask of an enterprise， a truss manipulator with an effective travel length of 36m and a width of 9.76m was designed and developed， with a maximum load capacity of 1.5 t. In order to ensure the requirements of its structural performance， finite element analysis tools were used to verify that its maximum deformation was less than 2mm， and that both its structural stiffness and strength met design requirements. At the same time， after the manufacturing of the truss manipulator， it was verified through on-site installation testing that its overall performance indicators met the needs of users.

Key Words：Forklift mask; Truss manipulator; Structural design; Finite element analysis

叉车门架的焊接直接关系到叉车结构的可靠性和工作的稳定性，是叉车制造过程中至关重要的一环，传统叉车门架的焊接采用人工为主，焊接工位的物流采用人工行车吊运等方式，工作效率低，摆放位置不一致使焊接质量不稳定，一次合格率低[1-2]。桁架机械手作为自动化设备的重要的一种，主要为机器人焊接工作站进行上下料作业，具有高效、高精度、高稳定性等优势，同时不需要人工干预，在自动焊接过程中发挥着重要的作用，也逐渐被企业广泛采用[2-3]。而桁架机械手的刚度关系到工件取放的位置精度和准确性，目前比较有效的方式是通过有限元计算对桁架机械手的关键部件进行有限元分析，在制造前提前获知桁架机械手的变形量，以验证结构刚度是否符合要求[4-5]。

本桁架机械手根据企业的要求先进行三维设计，并通过有限元分析验证桁架机械手横梁的刚度是否符合要求，达到设计要求后进行制造和现场调试，具体研究过程如下。

1 桁架机械手总体设计

1.1 设计背景

某企业新建某型叉车门架智能焊接生产线一条，由自动流水线、机器人焊接工作站、桁架机械手、补焊翻转台等组成。其中，桁架机械手负责线机器人焊接工作站进行上下料，桁架机械手自动将门架工件抓取并放置到各个机器人焊接工作站的夹具中，待机器人焊接完成后负责将工件抓取并搬运到流水线上。由于桁架机械手的跨距达10 m，工件最大重约1.1 t，加上本身自重，桁架机械手的横梁承重约3.5 t。考虑机械手在抓取和放下工件时行走梁可能会上下晃动，在制造之前需对横梁做有限元分析验证，要求空载和重载时变形量小于2 mm。

1.2桁架设计参数和要求

（1）桁架尺寸为36 m×9.76 m，行走梁底面离地4 m。

（2）工件最重1 056 kg，要求垂直负载不小于1.5 t。

（3）工件尺寸最长4205 mm，最短1420 mm，最高563.5 mm。宽度最小为484 mm，宽度最大为940 mm。

（4）桁架负载行走时，行走梁变形小于2 mm。

1.3桁架机械手三维设计

经过考虑工件的尺寸情况、行走梁的截面形状及材质，整体的制造工艺等要求，设计后的桁架机械手如下图1所示，接下来对桁架机械手的行走梁进行有限元分析。

2 有限元静力分析

由于桁架机械手的总体模型比较大，考虑到工作站的计算能力及实际的受力情况，接下来只对桁架机械手的行走梁进行有限元分析，考虑其刚度和强度情况。

2.1模型前处理

有限元分析的前处理至关重要，关系到计算的准确度以及计算的效率，要去除行走梁上的小孔以及一些对结构受力影响不大的倒角，把结构上的坡口和焊缝填补好，整个模型无异常的尖角和重叠的部位。处理完成的行走梁如下图2所示，然后把处理好的模型导入有限元软件中。

2.2模型边界条件添加

行走梁的材料是Q235钢，把材料的属性加入模型之中，设置网格大小为4 mm，根据不同的地方选择六面体网格或者四面体网格，局部进行精细化划分，网格划分完成后的行走梁如图3所示，总体单元为6 943 745个，节点为2 115 489个。网格质量满足工程需求。

跟行走梁相连接的部件处理成约束或者载荷，行走梁的两端添加固定约束，如图4所示所示。

而行走梁最大的负载是3 500 kg，同时行走梁受到重力的作用，当载荷作用在行走梁的最中间时，行走梁的变形是最大的，添加载荷如图5所示。

2.3计算结果分析

经过计算得到的行走梁的变形云图如图6所示，从图6可以看出，在最大载荷作用下，行走梁的最大变形量1.2 mm左右，满足少于2 mm的设计要求。

得到的行走梁的应力云图如下图7所示，应力为50 MPa，材料的需用应力为235 MPa，安全系数为4.7，结构强度系数非常富余。

3 现场装机调试

通过设计计算，验证合格之后，VBZUjwhY2P7AwLaEVNDqAKC/R2UnQFqUGbtZukNV/Ng=进行桁架机械手的制造和安装，并进行现场调试如图8所示，经过测试桁架机械手的设计满足企业各项性能要求，为叉车门架焊接效率的提升打下了坚实的基础。

4 结语

定制化的桁架机械手是企业智能化制造重要一环，本研究根据企业需求，定制化地成功开发了一款桁架机械手，在制造前经过有限元的分析和计算，有效减少了设计的风险和制造成本，制造完成后调试安装并验证成功，满足了企业智能化焊接生产线的需求，也为后续相关研究打下了坚实的技术基础。

参考文献

[1] 陈义，易伟平，李艺杉，等.工程机械结构件智能焊接线设计与仿真[J].建设机械技术与管理， 2023， 36 （3）： 103-106.

[2] 陈永波.桁架机械手结构和设计分析[J].科技资讯，2020，18（3）： 60-61.

[3] 徐爱群，芮鸿烨.齿坯上下料桁架机械手结构设计与分析[J].浙江科技学院学报，2023，35（3）：234-242，258.

[4]何飞，罗芸滢，王兵兵，等.多功能破拆机器人机械臂结构设计与分析[J].农业装备与车辆工程，2024，62（2）：117-120.

[5]程鹏腾.大型桁架在轨制造组装操作机器人工艺和方案设计[D].秦皇岛：燕山大学，2023.