边弘晔，李学威，管莉娜，马 壮

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳 110168）

0 引言

机床上下料作为专用机器人，是智能工厂的重要组成部分，其极大的提高了劳动效率、降低了劳动力成本。机床上下料机器人在正常工作中负荷较高，一旦机器人本体发生较大变形，将破坏工件的安装精度，同时由于其自身较大的动能可能导致严重的生产事故。因此，有必要在设计阶段对上下料机器人的机械结构进行全面准确的分析，以便找到现有结构中的薄弱点，为结构优化提供理论支持[1～4]。

Solidworks是应用最为广泛的三维机械设计软件之一，其内置的Solidworks Simulation插件可实现对机械结构力学分析的无缝联接，相比于专业的有限元软件，其操作更为简单，在满足基本力学分析需求的同时也为企业降低一大笔软件费用[5～7]。

1 上下料机器人的三维实体模型的建立

图1为上下料机器人及其工作环境示意图，主要由机器人、上料台、机床3个部分组成。利用Solidworks创建了上下料机器人的三维CAD模型，如图2所示，上下料机器人的机械结构采用了双平行四连杆的方式。

2 上下料机器人有限元模型的建立

2.1 几何模型简化及参数配置

图1 上下料机器人工作环境

图2 上下料机器人三维CAD模型

上下料机器人几何结构较为复杂，某些较小工艺结构并不影响结构整体的力学性能，反而会增加仿真计算与分析难度，因此需进行一定的简化[8～10]，主要简化内容如下：

1）压缩非关键部位的较小倒角和圆角；

2）压缩某些配合的螺纹孔；

3）对很难进行网格的零件进行结构微调。

本文的分析中采用了二阶四面体10节点实体单元，材质为45#钢，弹性模量200Gpa，密度为7800Kg/m3，泊松比为0.32，屈服强度为248MPa，许用变形量小于等于2mm。

2.2 约束与载荷定义

图3 极限工况载荷的施加

根据上下料机器人实际工作情况发现其在图3所示工作位置时变形最大，为极限工况，最易出现结构失效的问题。本文将对此工作位置机器人整机的静力学状态进行分析。

在底座安装面4个安装孔处施加固定约束；在减速器的受力面上施加与实际减速器等效的扭转刚度，以模拟不同位置的工况；其他关节之间可以相对转动，通过在Solidworks Simulation中施加销钉约束来实现。

上下料机器人所受载荷为自身和工件的重力，其中自身重力利用密度和重力加速度进行施加，方向坚直向下；而工件按100kg的极限负载，作为远程载荷施加到其实际重心位置上，如此处理即可减少网格数量，也能保证计算精度[11～15]。选择承载面施加远程载荷，如图3所示。

2.3 网格划分

选择网格大小为48mm，公差为2.4mm，雅可比点值取16，消除草稿品质网格，选择实体的自动试验，试验数取3。对网格大小进行控制，采用长度30mm，公差为1.5mm的网格[16～19]。网格划分结果如图4所示，共计186038个节点，102100个单元。

3 仿真结果分析

图4 网格划分后的模型

图5 极限位置等效应力云图

运行有限元仿真模型，计算结果如图5和图6所示。其中整机的等效应力云图如图5所示，最大等效应力为46.0Mpa，出现在大臂处，小于许用应力248MPa，满足强度要求。最大等效位移为2.71mm，如图6所示，出现在末端执行，超出允许的变形范围，因此有必要提高结构的刚度。

图6 极限位置位移云图

上下料机器人大臂是影响设备整体刚度的最重要部件，根据经验尝试对大臂结构进行调整，增加外框与加强筋的宽度。再次对修改后的机器人结构进行整机仿真分析，结果如图7所示，末端最大位移降至1.67mm，小于最大允许变形量，结构性能得到改善。

图7 大臂修改后极限位置位移云图

4 结论

利用Solidworks Simulation对上下料机器人在极限工况条件下的力学性能进行了仿真分析，发现原有结构的强度满足要求，但刚度不足，末端变形量较大达到2.71mm，达不到使用精度要求。结合经验与仿真结果，提出增强机器人大臂刚度的改进方案，再次进行仿真后，末端变形量降至1.67mm，满足使用要求。

经过结构优化的上下料机器人已经投厂，并稳定应用于多家生产企业。事实证明采用Solidworks Simulation用于机器人结构的仿真分析是快速有效的。

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