图1FANUCM-420iA机器人2012-07D-y1na3m#i#c#an#a#ly#s#is##a#n#d#st#ru#c#tu#re2o0p1ti2m-iz0at7io-刘俊，高乐，范永威LIUJun,GAOLe,FANYong-wei（上海电机学院机械学院，上海200245）要：在码垛机器人的设计中，动力分析与结构优化至关重要。本文以某公司生产的基于高速四轴码垛机器人的搬砖机器人的机械手为研究对象，详细分析了机械手的动态载荷。以此为基础，运用有限元分析软件UGNastran对机械手在搬砖运动的状态进行受力分析，对夹板结构进行了优化和校核，减轻了机械手的重量，降低了生产成本，提高了工作效率。摘关键词：码垛机器人；机械手；优化：TP241文献标识码：B：1009-0134(2011)8(下)-0010-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.8(下).030引言近年来随着劳动力成本上升，国内越来越多主梁上有安装板，板上装有与机器人联接的法兰。主梁下有四根支撑梁，支撑梁上有两块安装板用来安装气路系统元件。支撑梁下装有六块夹板，采用Q235钢，取砖时，中间两块夹板不动，外侧四块在气缸驱动下，沿着支撑梁下端面轨道向中间运动并加紧砖块，夹板上安装有气缸支撑梁上装有接近开关，用来控制气缸行程。机械手每次抓取20块砖头，砖的尺寸为240×115×53（单位mm)，一块砖头的重量为1.6kg，搬砖效率为9.6吨/小时，搬砖速度要求每3S完成一个工作循环，因此，为了快速动作，该码垛机械手采用气源方的企业开始考虑使用工业机器人替代人工劳动。在制砖企业，砖窑连续不断出砖，最高温度超过100℃，工人戴上多层手套搬砖，必须与砖窑的出砖速度同步，经常连续8小时以上工作，很多工人患有腰椎劳损、呼吸系统疾病等职业病。上海某公司设计、生产的“搬砖机器人”可以替代砖窑尾部、抛光线上砖等劳动强度大的搬砖工人，解放了劳动力，提高了工作效率。搬砖机器人的整体系统分为两部分，一是机器人，另外是安装在机器人末端的专用机械手。在码垛作业中，最常见的作业对象是袋装物品和箱装物品，象砖块这样的搬运对象就不能简单使用真空吸盘或叉板式结构，而需要设计一个专用的末端执行装置。为了提高搬砖机器人的效率和机器人使用寿命，在满足工作要求的前提下，减少机械手本身的重量是现在研究码垛机器人的关键问题。1机械手结构设计FANUC提供的M-420iA高速四轴码垛机器人如图1所示，能实现各个行业的后段码垛单元，其敏捷的动作可以实现高生产节拍的要求。在满足高性能要求的同时，FANUC机器人紧凑型、轻量化的设计大大减少了安装难度和占地面积。基于此机器人本体的末端执行装置结构由六块夹板和支架组成如图2所示，支架有两根平行主梁，收稿日期：2011-05-262012-07基-金1项3目#：国#家#高#技#术#研#究##发#展#计划#（#8#63）#资#助2项0目1（2200-作者简介：刘俊（1971－），女，副教授，在读博士，研究方向为机电一体化。】第33卷第8期2011-8(下)【11图2搬砖机器人末端执行器（机械手）图3夹板受力分析简图设夹板1和砖块的质量分别为m1，m2，夹板1的宽度为b；机械手绕轴1，2的最大回转半径分别为R、r；轴1，2的最大角速度、角加速度为1，1和2，2；砖块对轴2的转动惯量分别为J2。便、动作迅速及维修方便的气压驱动。回转产生的惯性力矩等效在夹板上的作用力F4。2机械手动力分析考虑到夹板结构对称性及受力的均匀性，以机械手四分之一区域为研究对象。一块砖头的重量为1.6kg，5块砖头的重量大约为80N，抓取砖块需要的摩擦力均分到两块夹板，一块夹板f≥40N，摩擦系数取µ＝0.25，夹板承受正压力N＝f/µ≥160N。搬砖机械手在工作过程中，夹板动作时所受的静态载荷主要气动系统产生的正压力160N。然而，由于搬砖的速度非常快，搬砖机器人和机械手的运动速度和加速度都很大，特别是位于末端的机械手，其动态受力不容忽视，这里主要是指由向心加速度引起的离心力和由切向加速度引起的惯性力。搬砖机械手的动态载荷要远大于静态载荷。搬砖机械手在工作时，一方面由机器人本体底座的回转轴带动其旋转；另一方面，为了达到正确的码放位置，机械手还需要自转。夹板主要受到的力分别为如图3所示：1）夹板和砖块相对于机器人底座回转轴1产生的离心力F1、F2；2）夹板相对于搬砖机械手回转轴2产...