自动保管箱存取机械手立柱结构的优化设计

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Optimization Design of the Access M anipulatorS Column ofAutomatic Deposit BoxLI Jian，KANG Xian-min，WANG Zhu，LIU Qing-ting，WANG Da-cheng(School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China)Abstraot：Aiming at the structure characteristics and stress conditions of access manipulatorS columnof the certain automatic deposit box，the access manipulatorS cohlmn is modeled and statics analyzedby ANSYS Workbench.The wall thickness of column is optimized that makes the weight reduced46.8% by ensuring the rigidity and the required strength of column.The stability.work performanceand service life of access manipulator are all improved。

Key words：access manipulator；finite element method；statics analysis；structure optimization；A NSYS Workbench自动保管箱是现代银行保管箱系统的-种自动存取设备，存鳃械手是其重要的组成部分，它按照指令在两存储架之间运行 ，并通过拉仲机构把目标保管内箱存入或取出相应的储架.存鳃械手运行时，其主要的承载构件立柱不仅受到载货机构以及保管内箱的静载荷，同时还受到因运行派生的动载荷，上述载荷与其质量密切相关，并关乎机械手能否快速且稳定地运行 ，故减轻立柱的重量，对于降低存鳃械手的制造成本 ，提高存鳃械手的行走速度以及平稳性意义重大 83。

有限元模型的建立存鳃械手由底座机构、立柱、载货机构以及配重机构等构成 (如图1所示 )[31.立柱是存鳃收稿 日期 ：2012-10-1 5基金项 目：广东侍育厅科研平 台资助项 目 (GCZX-Al008)作者简介：黎建 (1988- )。男，湖南耒阳人，在读硕士生，主要从事自动化设备设计及其仿真研究；王大承，教授，硕士生导师，主要从事智能控制与测试、特种加.r-：L摩托车设计的研究。

56 五邑大学学报 (自然科学版 ) 2O13 械手t要构成部件，它由壁厚 8mm的 管与方钢焊接 成 ，截面尺寸如图2所示，立柱与底摩通过螺栓连接起来.本文研究对象是立柱，如果仅仅对立柱建立有限元模型，将无法正确施加约束及载荷，从而导致分析结果不准确.为保证分析和优化结果的准确性，本文通过对立柱及其载货机构建模，FL取载货台在立柱最上端极限位置，得到立柱的最大变形量 。

8- // ， ， ， . / /图1存鳃械手结构 图2 立柱截面尺寸/mm本 文采ANSYS Workbench 含的CAE建模 L 具Design Mode1er对立柱壁厚进行参数化建模 ，解决了通过其他软件建模导致-些参数丢失的问题，可使结果更加准确.在对其进行钉限几分析时，建 正确的有限元模型是关键的-步，而存取机械手结构复杂，为了方便运算，需要对其进行有效的简化处理 ，删除～·些 对立柱强度和刚度影 响不重要 的零件 1 .根据以往有 限元分析经验 ，对 网格划分时 ，网格的数量对分析结果的精度有直接 的影响 ，网格数量过少 时 ，会影响分析结果的精度，而数 目过多时又大幅增加 r运算时问1 51.因此对立柱进行网格密分 ，其他零件网格疏分 ，即不影响结果精度 同时又减少了计算 J 作量 ，仿真模型如 3-a所示 ，格划分如 冈3-b所示。

1.1 定义材料特性和单元属性a 有 限元仿真模 型 b.网格 划分模 型图3 立柱的的有限元分析图在进行有限元分析时 ，材料属性包括杨氏模量 、密度和泊松 比.在进行有 限 单儿矩 阵 箅时 ，材料属性作为运算参数影响分析结果.立柱材料是Q235，其焊接性能好 ，市场上也较常见，价格低，根据文献[6]的研究结果 ，炔伞系数n3，则O-O- /n235/378.33 MPa.按照有限元分析要求 ，廊定义如 下材料属性 ：杨 氏模量2.1 3×105 MPa，密度7.83×103 kg/m ，泊松 tZo.3.南丁载货机构结构复杂 、材料种类 多 ，口通过对立柱 的受 力分析给 相应的等效 密度.由于载货机 构不是夺 史分析的重点 日 其材料主要也是Q235，所以其杨氏模量与泊松比按Q235材料给m，以保证分析结果的1靠 。

1.2 承载与约束处理立柱首先承受静载荷 ，包括配重机构 (35 kg)、承载机构 (40 kg)的重量，根据静力等效的原则 ，j于配重和承载机构可在立柱上移动 日.通过钢丝相连 ，钢丝轮支架安装在立柱顶端 ，可以把这些重镀对立柱的作用简化为集中载荷，在立柱顶端承受700 N向下的力，承载机构 配重的作用 等效质量 m5 kg，承载机构体积 2.968e-002m ，通过公式 Pm/v计算求承载机构等效密度第 27卷 第 1期 黎建等：自动保管箱存鳃械手立柱结构的优化设计 57为P：1.68e002 kg/m (忽略零件紧同引起的预应力以及钢丝张力等 ).其次立柱承受动载荷，动载荷系数k的范围为2.5～3.0，最大承载重量20k譬，按最大承载量的3倍加载.立柱通过安装板与底座相连，约束施加在连接之处.通过以上的分析 ，得到立柱的承载分布与约束示意图 (如图4所示 )，由有限元模型通过ANSYS Workbench的静态分析可得图5.从分析结果可以得到，600 N力作用下立柱最大变形为0.128 05 mm，(实际要求最大变形不能超过0.20 mm)满足变形要求.等效应力的最大值为2.820 6 MPa.即O'max<[盯]78.33 MPa，最大应力 现在载货机构与立柱接触面上。

图 4 立柱 的承载分布与约束 图2立柱的结构优化a 立柱整体 变形 图 b.立柱等 效应 力图图 5 有 限元 分 析 结 果ANSYS Workbench中的Design Xplorer拈 是对Workbench参数分析功 能的极大扩展 ，利用其试验设计 (DOE)和响应面功能可获得产品性能与设计参数之间的关系，也提供了SDPD仿真驱动设计所需要的所有信息，可实现对零件及其组合件最优化的设计 .ANSYS Design Explorer[ 。分析结果 与定义参数可以通过 响应 图表方式显示。

根据设计要求，立柱的最大变形不能超过 0.2 mm，最大的应力不能超过 79.33 MPa，在强度和刚度满足条件 的情况下 ，对立柱进行轻量化设 计.根据存鳃械手 的结构 ，只对立柱壁厚进行优化 ，在优化过程中，首先对立柱壁厚进行参数化建模 ，此时 柱壁厚为定义参数.然后定义立柱整体最大变形以及立柱整体最大等效应力为分析结果.最后启动 DOE分析，定义输入参数数值的范同，输出参数根据输人数值进行相应的求解.为了达到本文研究 目的，定义输入参数范围为 3～8 mm(厅管 GB/T6728)，得到的响应图表如表 1所示 。

表 1 立柱结构 分析的响应图表O O O O 0 0 2 2 2 6 2 8 4 O 6 2 8 4 hO 7 3 O 7 3 O 6 3 7 2 0 9 8 6 5 4 2 l 7 8 5 1 8 S 2 9 6 3 8； 2 2 2 l l l O 0 O l 等 圈豳U58 五邑大学学报 (自然科学版 ) 2013正分析响应图表可知 ，原立柱壁厚为 8 mm，远远满足最大变形不超过 0.2 mm和最大的应力不超过79.33 MPa的要求；当壁厚为4 mm时，立柱最大变形为0.1 89 95 mm，等效应力的最大值为4.084 40 MPa，同样满足要求；而当立柱壁厚为3 mm时，立柱整体最大变形为 0.222 70 mm (大于 0.2 mm)，不符合设计要求.即立柱壁厚 4 mm为满足刚度和强度要求的最轻的立柱。

3 结论本文通过ANSYS Workbench内含的CAE建模lT具Design Modeler对立柱壁厚进行参数化建模 ，解决了其他软件建模导致-些参数丢失的问题，使结果更加准确.对立柱结构的有限元静态分析分别得到它们的变形云图和应力云图，在此基础上进行结构优化，最终得到比较合理的结构优化方案，当立柱壁厚为4 mm时 ，既满足了最大变形不能超过0.2 mm和最 大的应力不能超过79.33 MPa的情况 ，又使得立柱的质量减轻了46.8%，从而降低了制造成本，有效提高了存鳃械手行走的速度和稳定性 ，延长了其使用寿命。