以所設(shè)計(jì)的一種四自由度高速重載碼垛機(jī)器人為研究對(duì)象，建立其簡(jiǎn)化三維模型。采用機(jī)械仿真設(shè)計(jì)軟件Solid-Works Simulation 工具首先對(duì)模型中零件底座、末端執(zhí)行器進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，然后對(duì)整機(jī)在最大載荷情況下的幾個(gè)典型位姿進(jìn)行分析，得到整機(jī)在工作空間內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖，并進(jìn)一步優(yōu)化桿類零件壁厚。對(duì)零件的優(yōu)化提高了碼垛機(jī)器人的靜剛度和動(dòng)力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)整機(jī)的分析得到了碼垛機(jī)器人在工作空間內(nèi)的靜剛度分布特性，為碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

　　近年來(lái)，隨著機(jī)械自動(dòng)化水平和勞動(dòng)力成本的不斷提高，高速重載搬運(yùn)機(jī)器人在各類產(chǎn)品生產(chǎn)線上已得到了廣泛應(yīng)用。尤其是產(chǎn)品碼垛工序，機(jī)器人以其在適用范圍、靈活性、成本以及維護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在這種形勢(shì)下，杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司與天津大學(xué)等單位共同研發(fā)了一種用于產(chǎn)品碼垛的高速重載搬運(yùn)機(jī)器人。該機(jī)器人最大抓取重量為300kg，搬運(yùn)能力為800 次/小時(shí)，位置重復(fù)精度為±0. 5mm。整機(jī)主要由底座、大臂、前臂和末端執(zhí)行器四個(gè)關(guān)節(jié)組成，能實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)動(dòng): 底座旋轉(zhuǎn)、大臂前后運(yùn)動(dòng)、前臂上下運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即四個(gè)自由度。在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)為: 包含三個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，其中大臂外側(cè)的平行四邊形機(jī)構(gòu)Ⅰ，在保證前臂和前臂驅(qū)動(dòng)臂具有相同轉(zhuǎn)速的同時(shí)可將電動(dòng)機(jī)安裝在底座上，使機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能得到改善; 另外兩組耦合平行四邊形機(jī)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ起到保持末端執(zhí)行器水平姿態(tài)的作用。碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

　　在設(shè)計(jì)研發(fā)機(jī)器人階段，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析是必不可少的步驟。通過(guò)靜力學(xué)分析，可以得到機(jī)器人在外力( 力矩) 作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布，根據(jù)分析結(jié)果能夠清楚地了解設(shè)計(jì)中存在的缺陷及結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文借助機(jī)械仿真設(shè)計(jì)軟件SolidWorks Simulation 工具，對(duì)該碼垛機(jī)器人的主要構(gòu)件和整機(jī)典型位姿進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)部分零件機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了整機(jī)在最大載荷情況下工作空間內(nèi)的靜剛度分布特性，并進(jìn)一步優(yōu)化大臂、前臂壁厚，最終達(dá)到提高其整機(jī)末端靜剛度、位置精度和動(dòng)力學(xué)性能的目的。

　　本文對(duì)碼垛機(jī)器人主要構(gòu)件和整機(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)果做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論。

　　1) 對(duì)于底座和末端執(zhí)行器這種形狀不規(guī)則的零圖16 整機(jī)末端最大位移隨壁厚變化的關(guān)系曲線件，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，在正確位置增加筋結(jié)構(gòu)可以顯著提高其靜剛度。

　　2) 碼垛機(jī)器人的末端靜剛度隨其在工作空間內(nèi)的不同位姿而發(fā)生變化。在最遠(yuǎn)端附近靜剛度最小，最近端附近靜剛度最大。

　　3) 綜合考慮節(jié)省材料和碼垛機(jī)器人末端位移最小，優(yōu)化大臂、前臂壁厚為18mm。