【搬运机械手结构优化及有限元研究8600字（论文）】

搬运机械手结构优化及有限元研究TOC\o"1-4"\u摘要： 41.设计背景 62.搬运机械手 72.1搬运机械手发展现状 72.2搬运机械手发展趋势 83实木地板分析 83.1实木地板简介 83.2实木地板生产工艺流程 93.3实木地板参数 94搬运机械手设计 104.1地板生产线分析 104.2末端执行机械手形式方案确定 104.3真空吸盘 124.3.1吸盘材质 124.3.2吸吊部分计算： 134.4气缸 144.4.1气缸计算 144.5真空发生器 154.5.1真空发生器计算 155.ANSYS分析 165.1.ANSYS简介 165.2有限单元法简介 165.2.1有限单元法的基本思想 165.2.2有限单元法的基本概型 175.3末端机械手有限单元法的分析 175.3.1机械手模型 175.3.2机械手称重杆有限元分析 185.3.3机械手夹持器总称重杆有限元分析 205.3.4机械手夹持器有限元分析图 225.3.5机械手夹持器有限元分析图 235.3.6机械手整体有限元分析图 24参考文献 25摘要：在实木地板的生产过程中，需要经过多个工序，但由于相邻工序的生产设备不同，通常需要运输产品。在运输时，一个工序加工的产品通常堆积到一定量后再运输到下一个工序，导致运输时间长，加工效率低，出现质量问题。生产线上输送板材的机械手结构单一，大多是吸盘机械手。吸盘机械手吸大板效果好，但由于结构因素不能很好的夹持原木和小长条板，需要人力配合工人。在该设计中，将夹紧机械手和真空吸盘机械手集成为一个用于板材生产的末端机械手，并建立模型进行有限元分析以优化其结构。关键词：搬运机械手；建模；有限元分析；结构优化1.设计背景“第一步，到2025年进入制造大国行列；第二步，到2035年，中国制造业整体达到世界制造强国阵营的中等水平；第三步，到新中国成立100年的时候，综合实力已经进入世界制造业强国的前列。”2015年3月5日，李克强总理在全国人大会议上作政府工作报告时提出了“中国制造2025”的宏伟规划，中国已经成为一个巨大的工业机器人市场，其潜力仍有待开发。工业机器人是指工作在工业领域的多关节机械手和多自由度机器人。主要用于工业生产过程中的运输、装配、加工、喷漆、清洁生产等方面。机器人联盟(IFR)根据机器人的应用地点将机器人分为两类:制造环境中的工业机器人和非制造环境中的服务机器人。工业机器人是用于工业生产的机器人的总称,是现代制造业中重要的工厂自动化设备。2018年,工业机器人销量达到66000台,同比增长62%,再次成为大型工业机器人市场。用户从外商独资企业、中外合资企业发展到内资企业甚至中小企业。中国沿海发达工业区的许多企业产品大多数都是用于出口的,对产品质量要求很高。越来越多的企业使用机器人代替工业工人。在珠三角地区,工业机器人使用的年均增长率已达到30%,特别是在装配、点胶、搬运、焊接等领域,已经掀起了一股机器人使用热潮。中国工业机器人产业的发展开始上世纪后期年左右,当时科技部将工业机器人列入科技研究计划,原机械工业部牵头组织了工业机器人的点焊、电弧焊、涂装、搬运等方面的研究,其他部委也积极支持该项目,形成了中国工业机器人的第二次高潮。此后,由于市场需求变化,机器人的自主研发和产业化经历了长期的停滞。2012年后,中国机器人装机容量逐年增加,开始向机器人整个产业链发展。工业机器人的智能化程度决定了一个国家工业自动化水平的高低。中国工业机器人的发展应以加快中国智能制造的发展为重点,协调机器人的供需双方。一方面,可以提高我国机器人制造企业的创新能力,促进机器人的标准化、模块化和系统化发展,降低使用成本,提高集成应用水平,从而扩大市场应用范围。另一方面,积极开展自主品牌机器人应用试点,做好一批效果突出、驱动力强、关联度高的典型应用示范项目,推动工业机器人用于传统制造业转型升级。2.搬运机械手2.1搬运机械手发展现状2020年以来，伴随着“中国制造2025”计划的大发展，搬运机械手的应用也越来越广泛。目前搬运机械手并不局限于传统制造业，已经延伸到冶金、矿山、石油化工、汽车、船舶等领域，并慢慢延伸到航空航天、生物医学、核能、生物化学等高科技领域。目前搬运机械手的发展趋势如下：a、搬运机械手高精度重复定位:所谓精度是指搬运机械手到达指定位置的精度，那么重复定位精度是指搬运机械往复运动到同一指定位置的误差值。随着电子控制技术的进一步发展，定位精度会越来越高，搬运机械手的应用领域也会越来越广。。b、搬运机械手结构模块化：在实际应用中，许多公司也将模块化搬运机械手称为现代传输技术。模块化应用不仅增加了机械手在应用中的灵活性，还允许同一个机械手替换不同的模块，拥有不同的功能，进一步扩展了搬运机械手的功能。这个方向将是未来一个重要的发展方向。c、节能化的搬运机械手：为了使搬运机械手能在一些无污染的环境中应用，可以使用一些无供油润滑元件作为机械手的部件。可想而知，随着新材料的出现，润滑元件将得到进一步的改进，所以未来的搬运机械手不仅节省润滑油而且不污染环境，其结构也可以进一步简化，具有更高的成本和更长的寿命。d、机电一体化发展：随着电子技术和控制技术的发展，使气动控制从开环控制转向带反馈的半闭环或闭环控制，不仅减少了接线和元件，而且大大提高了搬运机械手系统的可靠性。以上四点基本就是大部分搬运机械手的发展趋势。目前，国内外都在大力开发具有智能功能的搬运机械手，其主要目的是使机械手通过传感器反馈外部条件的变化进行调整，例如，当发生位置偏差时，它具有自动补偿功能。国内通用搬运机械手制造商通过在机械手上安装视觉系统来实现位置检测和调整。同时，他们还可以通过视觉检测来分析物体的大小、颜色和位置，并将检测结果通知搬运机械手，以指导机械手定位和抓取。同时，搬运机械手手爪的夹紧力可以通过机械手内置的压力传感器进行调节。可想而知，随着传感器技术的进一步快速发展，未来的搬运机械手将与柔性系统或单元组成柔性生产线，从根本上改变搬运机械手需要人工管理和操作的现状。2.2搬运机械手发展趋势在许多工业机器人中，搬运机器人无疑是应用率最高的机器人之一。无论是在工业制造、仓储物流、烟草、医药、食品、化工等行业，还是在邮局、图书馆、港口码头、机场、停车场等场景，都可以看到搬运机器人的身影。近年以来，随着中国人口红利的逐渐消失，企业的劳动力成本不断上升，各种工业机器人得到了广泛的应用。焊接、装配、切割、分拣、搬运等机器人的出现，不仅通过“机器替代”解放了企业和产业的生产力，而且促进了产业发展从劳动密集型向技术密集型的转变，促进了产业从传统模式向现代化、智能化的升级。根据自动搬运的定义，搬运机器人不仅包括机械臂、机械手等固定机器人，也包括无人驾驶车辆、AGV等自主移动机器人。自2018年上半年以来，全球工业机器人市场规模已达160亿美元，中国市场规模也已超过42亿美元。在巨大的市场销售额下，搬运机器人的比例已超过35%。这些数据表明，如今搬运机器人不仅是饱受市场追捧的全新热点，更是工业机器人产业发展的主要力量。搬运机器人的强大性能与其广泛的市场需求密不可分。众所周知，物料搬运是一项无处不在的日常工作，存在于各行各业。而看似不起眼的简单工作背后，却有着长远的、基本的企业需求，往往受到人员、成本、效率等因素的限制。在目前这种情况下，搬运机器人在未来确实大有可为。在智能制造的技术背景下是早期到来的时代，在互联网平台、人工智能技术日益普及的大数据条件下，智能机器人的程度越来越高，这不仅提升了我国的劳动技能，而且开辟了新的工作岗位，机器人工程师迅速成为行业需求，成为“智造人才”。未来，培养从研发、生产、维护到系统集成的多层次、多类型技能型人才，将是提升企业核心竞争力的关键。3实木地板分析3.1实木地板简介实木地板是由天然木材干燥加工而成的地板装饰材料。又称原木地板，是直接用实木加工而成的地板。它是通过粉碎原木，加入胶水、防腐剂和添加剂，用热压机在高温高压下压制而成，从而打破了原木的物理结构，克服了原木稳定性差的缺点。实木复合地板强度高、规格均匀、耐磨、耐腐蚀、防蛀，装饰效果好。通常用于室内地板铺设，用于制作地板的木材性能要求结构均匀、硬度适中、弹性好、耐磨性好、木纹美观、颜色均匀柔和。3.2实木地板生产工艺流程11.原木2.制材3.干燥4.双面压刨5.修边锯6.分选7.素板8.涂装9.包装10.成品原木:把树木砍伐后形成的木材称为原木。原木的质量指标一般是指原木的长度、直径和缺陷，包括结节、腐烂、缺陷、虫孔、缩皮、弯曲等。地板锯材制造中使用的原木质量要求原木小头直径大于20厘米，长度为26厘米。木材制作:将原木加工成锯材的过程称为木材制作，一般包括切割、剖切、修边、切割等工序。木材的主要产品是地板专用锯材。根据地板的规格尺寸和木材的干燥收缩特性，合理确定加工余量。地板用锯材一般是标准的装饰板因此在复合地板生产过程时，需要通过多重工序进行加工，而由于相邻工序的生产设备不同，通常需要将产品进行转运，现有技术中，由于在进行转运时，通常将一个工序的加工后的产品堆积到一定数量，再将其运输到下一个工序，导致转运耗时较长，加工效率较低，工人搬运困难，耗时间，容易损伤产品，造成质量问题。3.3实木地板参数表3-1地板规格参数表参数规格长度宽度厚度表板厚度重量整板900mm600mm12-15mm0.6-2mm75kg切割板900mm120mm12-15mm0.6-2mm15kg4搬运机械手设计4.1地板生产线分析下图是传统木地板生产线的布局图。在一般生产过程中，大型板材主要由真空吸盘机械手进行输送。较小的地板板由于其数量多于整板，一般采用夹紧式端部执行器处理。机械手根据设定的程序上下搬运地板。为了提高生产效率，在整块板材送入切割的过程中，前端的真空吸入式机械手处于等待状态。等到地板进入锯口时，真空吸盘机械手将第二块板放在辊式输送机构上。在地板板材及板坯送出的这段过程中，剖分锯末端的夹持式机械手处于闲置状态，待板坯被运送至指定位置并成摞摆放后，夹持式机械手才将其夹起并放置在指定的码垛位置。如果能利用这个时间，机械手的工作效率可以在一定程度上得到提高。图4-1地板生产线布局图4.2末端执行机械手形式方案确定在本设计中，将夹持式机械手和真空吸盘式机械手集成在一个末端机械手上。当地板原木未切割前，夹持机械手开始工作。当机械手搬运大幅面整板时，控制真空吸盘式机械手将地板板材放在辊筒传送装置上。在地板材料运送这段时间里，机械手通过导轨移动到锯末端，运用夹持式机械手将切割后的地板板坯进行搬运和码垛。完成搬运后，机械手移动到前面王城上料工作，依次循环工作。这样利用了原有的等待时间，由一个机械夹紧臂来完成原有两个机械夹紧臂的工作，从而提高了机械手的工作效率。末端机械手执行顺序如下图(1)在整块地板切割前，夹爪升降机构的气缸开始工作。使夹爪部分升起，留吸盘工作。(2)机械手的真空吸盘底面贴在整个地板表面。此时，真空发生器在真空吸盘中形成负压，地板牢固地附着在吸盘上。然后，将地板提起放置在输送机构上，真空吸盘充气释放板，由输送机构送至下一道工序。(3)当整块地板切割后经过传送机构运送，地板条堆积一定数量，气缸推动夹持器将夹爪放下，夹板张开，机械手臂开始运动。搬运地板板坯到规定码垛位置并放开，随即夹持部分立刻升起。进入下一轮板材搬运工作。末端执行机械手机械结构简图如下图所示：图4-2末端机械手结构图本设计的末端执行机械手主要由夹持部分，真空吸吊部分和夹持器升降部分三个大模块组成:(1)夹持部分:主要由机械夹臂，气缸、传动机构和滑轨构成。(2)真空吸附部分:主要由真空发生器、真空吸盘和吸盘架构成。(3)升降部分:由气缸及支撑架构成。4.3真空吸盘真空吸盘又被称作真空吊具，种类多样。橡胶制成的吸盘可以在高温下操作。吸盘由硅橡胶制成，非常适合抓取表面粗糙的产品，聚氨酯制成的吸盘经久耐用。在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，可以考虑用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物来制造吸盘。一般情况下，为了避免划伤产品表面，最好选择丁腈橡胶或硅橡胶制成的带波纹管的吸盘。吸盘由丁腈橡胶制成，破断力大，因此广泛应用于各种真空抽吸设备中。4.3.1吸盘材质根据使用条件、对象和环境条件选择合适的材料。主要特性参照下表。表4-2吸盘类型表◎：优○：良△：可×：不可在实际使用真空吸盘后，对真空吸盘的使用提出以下注意事项①使用真空吸盘搬运重物时，严禁超过理论吸力的40%，以免超载导致重物脱落。②如吸盘因老化等原因失效，应及时更换新的吸盘。③在使用过程中，真空压力必须保持稳定。本设计采用直径75mm的丁腈橡胶吸盘。4.3.2吸吊部分计算：当末端机械手正常工作时，以地板为研究对象对吸盘进行参数计算。地板参数见前面地板参数表进行取值。1.水平起吊时F=0.1Ap(P取0.8Mpa)代入数值计算有：F=mg=735NA=F/0.1P=90.5cm2此时：吸盘直径取70mm2.垂直起吊时F=0.1υAP(υ取1.59P取0.8Mpa)F=735NA=F/0.1υP=90.7cm2此时：吸盘直径取75mm.综合水平起吊和垂直起吊数值，为保证机械手能够正常工作，故最后确定吸盘直径为75mm.吸盘工作状态时受力分析：要满足吸盘正常的吸取物体要求，也就是能让吸盘正常工作的条件如下式：Fd=Pd•Ad>0且Fr=Fd•υ>Fh重力加速度g取9.8cm2/s动态负载计算：旋转角度φ=900旋转半径R=100cm.工作时间T=30s角加速度：a=3.5x10-3m/s2角速度：ꙍ=at=3.5x10-3x30=0.105rad离心力：Fz=mꙍ2r=9.4x0.1052=10.4x10-2N切向力：Ft=mar=9.4x3.5x10-3=3.29x10-2n合力：Fh=10.9x10-2N垂直负载:Fv=ma=9.4x3.5x10-3=3.29x10-2N图4-3吸盘建模图4.4气缸引导活塞在气缸内直线往复运动的圆柱形金属部件。空气在发动机气缸中膨胀，将热能转化为机械能，气体被压缩机气缸中的活塞压缩，增加压力。气缸一般由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。该设计采用单作用气缸，即只有一端设有活塞杆，通过从活塞一侧供气产生气压，气压推动活塞产生推力，通过弹簧或自重伸缩，控制抓具的升降。4.4.1气缸计算内径D=150mm,缸内气压P=0.6Mpa,活塞杆材料20刚，[σ]=80Mpa。现要确定活塞杆直径d.活塞杆右端受工件的反作用力，左端受气体压力，为轴向拉伸。F=P•π/4D2=(0.8x106)xπ/4x(150x10-3)=9.42KN活塞杆轴力为：F轴=F=9.42KN由强度条件有：σ=FN/A≤[σ]活塞杆直径面面积满足以下要求：A=πd2/4≥FN/[σ]=9.42x103N/80X106pa=1.17x10-4m2由上式可得：d≥√(4A/π)≥0.0122m故确定活塞杆直径d=12mm图4-4气缸建模图4.5真空发生器真空发生器是一种新型、高效、清洁、经济的小型真空部件，它利用正压空气源产生负压，这使得在气动系统中有压缩空气或需要正压和负压的地方获得负压变得非常容易和方便。真空发生器广泛应用于机械、电子、包装、印刷、塑料和工业自动化中的机器人等领域。真空发生器的作用是配合吸盘吸附和运输实木地板。更适合吸附易碎、光滑的板材。其特点是抽气量小，真空要求低，间歇运行。4.5.1真空发生器计算真空吸盘直径75mm处于工作状态时，校核其是否能满足板材的搬运，对其真空发生器进行计算。已知条件如下：真空吸盘面积S=3.14x32.52=47.8cm2真空吸盘内部真空度75Kpa吸附容积0.1L吸附响应曲线T≤1ST=1.2T=1.2x60v/Q1Q1=1.2x60V/T=1.2x60x0.1=7.2L/minQmax=2XQ1=14.4L/minT=1.2x60x0.1/12S=0.6<1S故合理5.ANSYS分析5.1.ANSYS简介ANSYS软件运行在大多数计算机和操作系统上，从个人电脑到工作站到超级计算机，并且ANSYS文件在其所有产品系列和工作平台上都是兼容的。ANSYS的多物理场耦合功能允许在同一模型上进行各种耦合计算费用，如热-结构耦合、磁-结构耦合、电磁-流体热耦合。在PC上生成的模型也可以在超级计算机上运行，从而保证了ANSYS对多领域工程问题的求解。ANSYS可以与大多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、NASTRAN、Alogor等。它是现代产品设计中先进的计算机辅助设计工具之一。ANSYS软件提供了一系列不断改进的功能，包括:结构的高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格生成、大应变/有限旋转功能以及使用ANSYS参数化设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉菜单和子菜单输入数据和选择功能，并利用ANSYS为用户提供“导航”。5.2有限单元法简介5.2.1有限单元法的基本思想将一个工程结构离散成由各种相连元素组成的计算模型，称为元素细分。离散单元通过使用单元的节点相互连接。离散单元通过使用单元的节点相互连接。单元节点的设置、性质和个数要根据问题的性质而定，变形形式要根据需要和计算精度来描述(一般情况下单元划分越细，变形描述越准确，即越接近实际变形，但计算量越大)。所以用有限元法分析的结构不是原来的物体或结构，而是由相同材料制成的，由多个元素以一定方式连接起来的离散物体。这样有限元分析得到的结果只是近似的。如果划分单位的数量很大，很合理，得到的结果与实际情况是一致的。2.单元特性分析(1)在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量，称为位移法；选择节点力作为基本未知量称为力法；将部分节点力和部分节点位移作为基本未知量称为混合法。位移法易于实现计算自动化，因此在有限元法中得到广泛应用。选择未知量模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法:选择节点力作为基本未知量时称为力法:取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。(2)根据单元的材料性质、形状、大小、节点数量、位置、意义等对单元进行力学性能分析，找出节点力与节点位移之间的关系是单元分析的关键步骤。这时就需要运用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移方程，然后推导单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。(3)将等效节点力离散后，假设力通过节点从一个单元传递到另一个单元。然而，对于实际的连续体，力从单元的公共边界传递到另一个单元。因此，作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力需要等效地移动到节点上，即作用在单元上的所有力都要用等效节点力代替。5.2.2有限单元法的基本概型1.有限元分析有限元分析是通过数学近似来模拟真实的物理系统(几何和载荷条件)。利用简单的、交互的元素，即细胞，我们可以用有限个未知数逼近无限个未知数的真实系统。2.有限元模型有限元模型可以看作是对真实结构的一种划分，即把真实结构看作是在真实结构上由小块或画线组成，通过这些小块或画线把真实结构分割成若干部分。5.3末端机械手有限单元法的分析5.3.1机械手模型根据三维模型的基本情况，对模型进行几何清理。清除多余无效几何体，清理多余面体。根据有限元分析需要，去掉尺寸较小的孔洞，降低有限元分析规模。对焊接部件进行布尔合并，减少零部件之间的连接处理。图5-1末端机械手模型图5.3.2机械手称重杆有限元分析在分析中将承重杆简化为简支梁建立模型，选用十节点四面体实体结构单元Tet10Node187定义材料属性，静力分析中定义材料弹性模量为2.06e11，泊松比取0.3，对三维实体划分网格。之后施加1e7压力载荷查看变形，网格图及变形图见下图。图5-2承重杆划分网图图5-3承重杆边形图图5-4承重杆边形图最大变形4.011mm5.3.3机械手夹持器总称重杆有限元分析液压缸主要用于机械手的运动控制，动作结束后，液压缸不作为主要的承力部件，因此将部分液压缸忽略，两侧液压缸由于起到机械手和框架之间的连接作用，使用刚性单元进行模拟。机械手夹持部位加载80kg重物的重力，10处支座的安装位置施加约束。图5-5夹持部分变形云图图5-6横梁等效应力云图最大变形：13.387mm5.3.4机械手夹持器有限元分析图图5-7框架等效应力云图图5-8框架变形云图最大形变：0.526mm5.3.5机械手夹持器有限元分析图图5-9夹持部分等效应力云图图5-10夹持部分变形云图最大形变：0.501mm5.3.6机械手整体有限元分析图5-12机械手等效应力图图5-13机械手变形云图最大形变：0.529mm参考文献[1]李云江.机器人概论[M].北京：机械工业出版社，2016.7:44-51.[2]胡仁喜.ANSYS18.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2018.10：2-6.[3]成大先，王德夫.机械设计手册第四版第2卷[M].北京:化学工业出版社，2002.1.[4]余达太,马香峰.工业机器人应用工程[M]．冶金工业出版社，2011.[5]张青.工程起重机结构与设计[M].北京：化学工业出版社，2008.7.[6]谢存禧.机器人学[M]．华南理工大学出版社，2014.[7]濮良贵，陈国定.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.5.[8]何铭新，钱可强.机械制图[M].北京：高等教育出版社，2010.7.[9]李金泉，杨向东.码垛机器人[M].北京：北京理工大学出版社，2011.7.[10]丛明，徐晓飞.玻璃基搬运机器人的设计[J].自动化学报，2015.7.[11]李成伟，朱秀丽.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J].北京：北京航空航天大学，2009.8.[12]李长春.基于机器人装卸物料的研究[J].济南：济南大学，2012.9.[13]SMC(中国)有限公司.现代实用技术[M]版.北京：机械工业出版社，2013.[14]李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996，11.[15]于靖军，刘辛军.机器人机构学的数学基础[