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导轨式机器人桁架的强度设计
作者：李江曾宪杰曾宪任来源：《中小企业管理与科技中旬刊》2015年第01期
摘要：本文针对漆包线生产线的实际工程问题，设计导轨式机器人桁架结构，采用有限元分析方法对桁架衡梁强度进行校核，完善了桁架强度设计。对初始衡梁设计进行修正，在衡梁中间文章增加一短、小型号矩形钢，增强了结构的强度，提高了结构的刚度，使得新桁架结构在中间位置的最大扰度为04mm，符合设计要求标准（小于05mm），保证伸缩臂在衡梁上滑行顺畅。
关键词：衡梁有限元强度设计
1概述
某公司漆包线生产的收线位置目前采用人工收线，生产效率低下。漆包线盘规格多种多样，最重规格200公斤个。为了提高生产效率，特设计一导轨式机器人，取代人工收线工艺，实现自动更换线盘作业。对导轨式机器人的机械结构件中，最主要的是机器人的桁架强度，桁架强度设计集中体现在桁架的衡梁强度设计。
2机器人桁架衡梁的设计
根据漆包线作业现场，设计机器人的作业范围，衡梁跨度7m左右。整体初步设计如图1所示。衡梁采用空心矩形钢型材截面尺寸为200×300×10（mm），总长736m。结构材料选用结构钢Q345B，强度较高，以保障结构强度。Q345B与Q235A价格相差不大，强度上要高很多，焊接性能也适当。
图1导轨式机器人初步设计结构
3衡梁强度校核与修正
衡梁设计好后，需要对衡梁机械结构强度和刚度进行校核。从图1中可以看出，上升臂安装在衡量上，并通过直线导轨导向运动。因此衡梁刚度要求较高，否则直线导轨上滑块运动困难，要求衡梁上最大扰度小于05mm，可确保导轨滑块滑行顺畅。
本文采用有限元分析方法对衡梁建模并进行有限元分析，得到衡梁上各节点的位移分布及应力分布。实际设计2跟衡梁并行安置，考虑到运动过程的偏载，对1根衡梁加全载分析，提高结构的安全性。首先对衡梁进行三维建模，图2为衡梁的三维模型。
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建立衡梁的三维模型后，对衡梁进行网格划分，施加约束及载荷后，进行有限元计算。由于漆包线盘负载约180kg，上升臂约为320kg，得到总负载为500kg。对衡梁模型两端施加约束，中间位置施加总负载，得到衡梁的位移分布及应力分布云图，如图3所示。
图3衡梁位移和应力分布云图
从图中的应力云图可以看出，衡梁的最大应力为924MPa，远小于材料的屈服强度345MPa，衡梁的强度可靠。但衡梁受载后的最大位移为0769mm，发生在衡量的中间位置，超出了预计的设计要求05mm。因此，衡r