浅谈工业机器人台车硬限位受力分析

浅谈工业机器人台车硬限位受力分析

刘庆淋

无锡英吉曼自动化科技有限公司 江苏 无锡

摘要：设备在运行过程中，一旦软极限因为各种原因失效的情况下，设备的硬限位是最后一道防线，所以设备的硬限位对于设备运动部件的保护以及周边设备的保护至关重要。

关键词：软限位；硬限位；受力分析。

0、引言

当今制造业正演变成新的一轮技术和市场的竞争与合作， 随之也浮现出“智能制造”新概念，自动化设备作为智能制造的主角。自动化换人、节约人力成本，已成为制造业新一轮大趋势。很多企业正慢慢通过引进工业机器人的方式来逐步取代人工作业，从而逐步提升整个工厂的自动化水平。

机器人台车（也称机器人轨道）在FA自动化工厂应用过程中越来越广泛。工业机器人搭载在机器人台车上，可实现机器人在在不同工位之间远距离穿梭,提高工作效率、同时节约机器人投入数量，降低企业投入成本。而在机器人台车运行过程中，假如台车OT信号（也称软极限行程开关触发信号）失效，机器人台车滑板会带着机器人直接撞向台车硬限位。所以对于台车硬限位能否承受了撞击所带来的的破坏力至关重要。

一、项目设备工况

本文以笔者实际工作中的一个机器人台车项目为例，来分析硬限位在实际工况情况下的受力分析。假定模拟台车OT信号失效的情况下，移动负载以最大速度直接撞击台车端面2个硬限位的工况。（见图1）

图1

1.1项目概况

本项目为洁净室机器人行走台车，应用于液晶面板在各个工序之间的流转搬运作业。设备要求机器人最大行走速度2m/s，并且24小时不间断作业，项目设备质保2年。笔者在该项目中担任项目负责人职位，负责前期方案设计和洽谈以及项目实施中的承担机械设计任务等。该项目从方案洽谈到设备交付耗时5个月。

1.2硬限位构造

硬限位构造（见图2）：

缓冲块：聚氨酯材质（1件）

限位块：Q235材质（1件）

M14螺丝:12.9级发黑高强度螺丝（6颗）

图2

1.3移动负载

移动负载

=2560kg (Robot本体重量+Robot末端负载)

=760kg (台车滑板重量)

=1.3 (工况系数)

即：移动负载=（2560+760）*1.3kg=4316kg

1.4移动负载运动参数

最大速度V=2m/s

撞击后停止预设时间t=0.1s，撞击加速度20。

撞击后单个硬限位受到的冲击力

F=*i=4316*20*0.5N*1.5=64740N

式中：i－安全系数1.5

二、受力分析

硬限位的受力分析的四个过程:

过程一：滑板撞击弹性聚氨酯缓冲块胶块，可能导致缓冲块损坏，但是能够起到缓冲作用，减少冲击力；

过程二：硬限位受到撞击后，限位块通过克服摩擦力来承受撞击力；

过程三：当摩擦力小于撞击力后，螺栓承受的拉应力来起作用；

过程四：假设螺栓能承受住撞击力，需要校核限位块在受到冲击力后是否会产生

重大变形、断裂等失效破坏。

2.1缓冲块

缓冲块采用软质聚氨酯材料，具有优良缓冲作用。聚氨酯缓冲的缓力—形变曲线是非线性的，见图3，并且压缩力大于回复力，从而构成图 3中两条曲线所包围形成的能量吸收区。从图中看出来聚氨酯对于能量的吸收方面具有优良性能。

图3

缓冲块在受到移动负载外力撞击后有两个状态：

状态一：冲击力小于破坏形变力时，缓冲块仍能恢复原状；

状态二：冲击力大于破坏形变力时，缓冲块严重损坏，缓冲块起到缓冲撞击速度作用，此时由限位块、螺栓组拧紧产生的摩擦力、螺栓组拉应力起作用。

2.2限位块产生的摩擦力

M14内六角圆柱头高强度螺栓通过226N.M扭矩拧紧后，对限位块产生一个轴向压紧力。

式中：－限位块克服单颗螺栓压紧力产生的摩擦力，N；

－螺栓拧紧扭矩，N.M；

K－扭矩系数，取值0.1；

K－螺栓截面积的直径,mm；

－摩擦系数，取值0.1。

每个硬限位有6颗螺栓，螺栓组所能承载的最大载荷

式中：－螺栓组效率0.5

=6**0.5 =24213N ＜ F=64740N

即移动负载撞击硬限位产生的冲击力大于螺栓组拧紧后产生的摩擦力，此时需要进一步校核螺栓组拉应力。

2.3校核螺栓组

当移动负载撞击硬限位后，并且栓组拧紧后产生的摩擦力不足以抵抗冲击力F时，此时螺栓组受到拉应力需要对螺栓组拉应力进行校核。

单个螺栓在标准许用应力下有一个最大承受载荷。

式中：－螺栓截面积的直径，mm；

－螺栓材料的许用应力，MPa；

－单螺栓个最大承受载荷，N。

=211.5*0.0153N=35955N

每个硬限位有6颗螺栓，螺栓组所能承载的最大载荷

式中：－螺栓组效率0.5

=6*35955*0.5 =107865N ≥ F=64740N

即移动负载撞击硬限位产生的冲击力小于螺栓组产生的最大载荷。

2.4校核限位块强度

本文基于SOLIDWORKS Simulation有限元仿真模拟软件,来模拟限位块在受到巨大冲击力后限位块处于一种什么状态。

在静应力64740N的载荷下，对限位块的应力（vonMises）、位移（合位移）、应变（等量）、位移（形变）（见图4），进行有限元受力分析。

图4

有限元受力分析过程：

1　模型的简化

SOLIDWORKS Simulation 支持单实体零件、多体零件和装配体。装配体和多体零件也受到相同对待。模拟中的每个实体可具有不同的物理属性并以不同方法与其它实体进行交互作用。

在很多情况下，我们可通过很多方法来简化模拟:排除实体、视实体为刚性并可移动、视实体为刚性并固定、利用对称、定义接头等；对于一些内部结构比较复杂的实体我们可以通过去除法，将一些不影响受力结构的特征给与简化。

限位块是由多个板件满焊而成，而且该工件焊接后进行了热处理去应力退火，为了减轻计算机CPU运算负担和节约模拟时间，我们可以把该工件看作为一个刚性实体，忽略板件内部焊接应力造成的干扰，故我们在SOLIDWORKS Simulation有限元仿真之前必须在SOLIDWORKS 零件建模状态对所有板件实体进行做结合处理，使其作为一个单实体零件。

2　创建新算例

通过一些完善的参数定义，创立一个新的算例。该算例的参数包括约束、负荷、材料、网格和分析类型等内容。算例还需要设定算例的名称，并将算例的类型参数设置为“静态”。这些参数能够完整地表述一个物理问题的有限元分析。在分析一个装配体或零件时，使用不同类型的分析可以获得该装配体或零件在不同工作环境下的状态。

本次模拟算例采用是静应力分析，而且采用的是工件在承受最大冲击力后，工件所承受的最大静应力来仿真模拟的。

3　材料属性定义

该限位块属于板材焊接而成，为了保证良好的焊接性以及材料采购的经济性，工件采用的是Q235普通碳素结构钢。Q235的屈服强度为235MPa，属于中碳钢，综合性能优越，是市场上最常见的结构钢材之一。

4　夹具固定和外部载荷（见图5）

通过上述对螺栓组的受力校核分析得知，限位块在承受最大冲击力时不会造成螺栓组的失效损坏，在受到冲击力后即使限位块失效损坏了螺栓组也能保证完好，所以我们在对限位块夹具固定方式的选择时，可以简化为工件底部是刚性静止固定的。

图5

5　网格化

有限元受力分析是基于网格化的计算机运算，我们可以根据网格密度粗糙和良好的比例品质选择，也就是网格大小和网格公差的选择来确定最合适的网格参数。网格越密集网格品质越高，反之越低。使用高密度品质网格和低密度品质网格的对于算例最终结果是会有差别的。

对于网格密度品质的选择主要关乎使用者对于结果误差的需求，对于一些需要对结果误差较小的模拟运算解，需要采用高密度高品质的网格，但是对于计算机运算力要求高和软件耗时也比较长。对于一些能接受模拟运算解误差的算例，可以适当降低网格密度来更快的得到运算解，这样节约很多时间。本项目笔者使用的是中等网格密度来进行有限元分析的。

通过上述有限元受力分析得出结果：最大应力1.254e+09（N/M²）大于材料的屈服强度2.205+08（N/M²），虽然工件边缘超出材料屈服强度，但是限位块最大形变为0.38mm，限位块整体结构未产生严重变形，符合设计要求。

综上受力分析得出结论：当MFS2500D-4000台车OT信号失效的情况下，移动负载撞击硬限位后，仍能保证硬限位不产生失效损坏。

三、结束语

本文通过对工业机器人台车硬限位进行了受力分析，从聚氨酯的缓冲、螺栓组的校核、限位块的有限元分析等，完整的展现了整个分析过程，希望给予各位读者以启示和启发，并恳切希望得到大家的批评和指导。在FA工厂自动化中，有各式各样的运动设备，在设计运动设备过程中也存在各种各样的工况。对于需要立即停止的运动机构需要设计缓冲机构、硬限位机构等，对于这些机构我们应该给予高度重视，该机构承受巨大的冲击力，在设计过程中需要对该机构给予受力校核。

参考文献

[1]王晓斌，蒋佳桉，陈平等.拧紧转速对螺栓联接可靠性分析[J]. 机电工程

技术，2016，45(03)：101-104.

[2]成大先等,机械设计手册第二卷[M].4版. 北京：化学工业出版社，2002.

[3]方帅,袁召等.聚氨酯缓冲材料的出力特性研究与聚氨酯缓冲器设计[J]. 高

压电器，2015,51(11):0091-0096.

[4]李小强,孟庆阔等.拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响[J].机

械工程学报.JME.2020.13.231.

[5]陈永当，鲍志强.基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析[J].

计算机技术与发展.第22卷,第9期.