袋装水泥装车机械手的结构优化

孙佳涛，黄金凤，吕玉明，董珈皓

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

袋装水泥装车机械手为并联五杆机构，具有承载能力强、刚度大、速度快等优点，能够满足水泥装载时高速、重载的要求[1]。但由于工作过程为高速重载，机械手自身重量往往会产生惯性力，对结构造成冲击[2]，因此在保证结构强度满足工作要求的前提下必须对机械手整体进行轻量化处理，以减小惯性力对整体结构的冲击。本文利用三维建模软件SolidWorks建立机械手模型，通过ANSYS Workbench软件对机械手进行静力学分析，找到整机中最薄弱的零件，然后对薄弱的零件进行拓扑优化设计，对刚度较高的部位进行减重处理，以提升机械手的总体性能[3]。

1 机械手结构

为了保证水泥袋自传送带末端处被接取并最终码放到运输车辆上，需要机械臂具有5个转动关节、3个自由度，具体包括大臂、小臂、搬运厢。机械手由基座处两伺服电机相互配合控制两大臂转动预定角度，进而带动连接在大臂上的两小臂运动，使安装在小臂末端的搬运厢到达预定位置；由安装在搬运厢上方的伺服电机控制搬运厢转动预定角度，最终使袋装水泥按照码放要求到达指定位置，从而实现机械臂接取、平移、推送等一系列动作。利用SolidWorks软件建立的机械臂总体模型如图1所示。

图1 机械臂总体模型

2 有限元仿真

将机械手模型导入Workbench软件中，对其完成材料属性的加载、接触面的约束和网格的划分[4]。对机械手模型进行材料属性加载，材料选用结构钢，其密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。……