一种属具架的结构设计和强度分析*

张子强，吴天跃

(安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243000 )

0 引 言

目前破拆机器人技术的应用非常广泛，包括建房、修路、救援等诸多方面都有破拆机器人，随着我国科技的飞速发展，破拆机器人也更偏向于自动化和智能化，同时为了满足生活实际的需求，该机械的属具也逐渐多样化，属具作为破拆机械的手掌是不可缺少的，目前市面上的属具有液压破碎器、液压钳、夯实器、挖斗、裂土器、夹木机等多种类型，不同的“手掌”实现不同的功能，达到不同的作用效果。然而，目前的破拆机器人全自动快换装置[1]更换属具时会造成位姿误差，且属具都放置在地面上，这可能会加剧属具的腐蚀，且更换难度大，更换效率较低。由于这些弊端的存在，让破拆机器人属具架的设计制造成为可能。笔者由此设计了一种属具架来解决存在的问题。该属具架可适应位姿误差，提高属具的更换效率和工作安全性，保证破拆机器人和工人的安全。

1 属具架工作原理

该属具架如图1所示，结构由支架机构1，平移机构2和转动机构3三个部分组成，支架机构与转动机构相临并固连，同时转动机构通过中间板与平移机构相连接，平移机构通过底座与地面固连，支架机构起到承载属具的作用，转动和平移两机构分别实现了属具架更换过程中破拆机器人臂膀与属具之间位姿误差的补偿和更换完成后机构的自复位作用属具架模型如图2所示。

图1 属具架整体结构图 图2 属具架三维模型图1.支架机构 2.平移机构3.转动机构

2 属具架结构设计[2]

2.1 支架结构设计

如图3所示，此结构主要由托板和角支架通过螺栓(M20)连接而成，托板采用V形设计，既能保证其受力均匀又能保证属具不从属具架脱落，各个角支架采用三角结构设计，其优点主要在于能在保证材料的刚度条件下尽量节省材料减轻属具架的自重，且使各构件之间较容易装配；在竖直支架之间用横支架连接固定，以保证属具架在水平面纵向上受力时保证结构的平衡稳定，竖直角支架的下部通过螺栓(M10)与转动托板连接固定，保证各平移结构与转动结构之间顺利装配。

图3 平移组结构示意图1.托板 2.螺母 3.螺栓 4.短竖直支架 5.横支架 6.长竖直支架

2.2 转动结构设计

转动结构主要由中间的转动机构以及对称固接在中间板四周的回位机构组成。如图4，位于转动托板与中间板之间的中间轴承在转动机构中起主要作用，中间轴承上下表面分别与转动托板的下表面与中间板的上表面完全重合，通过轴承的转动实现属具在属具架上的转动。当破拆机器人完成属具的更换时，回位部即将起作用以使转动托板顺利复位。拉杆通过螺栓分别与转动托板与滑块相连，复位弹簧左右两端分别与滑块与导轨固连，同时导轨通过紧固螺钉与中间板相连。当转动结构处于原始状态时，复位弹簧处于原长；当转动托板通过拉杆使滑块移动时，弹簧被拉长，滑块受到与其运动方向相反的拉力以实现转动部分的成功复位。

图4 转动组结构示意图1.转动托板 2.中间轴承 3.滑块 4.复位弹簧 5.中间板 6.紧固螺钉 7.螺栓 8.拉杆 9.导轨

2.3 平移结构设计

平移机构上端的角支撑通过螺栓与转动机构的中间板相连，该结构的核心构件是位于结构中心的中间块，各构件在中间块内运动以实现结构的运动要求。平移组由上下两个部分组成，两个部分分别实现两个相互垂直方向上的移动，直线轴承固定在中间块内，滑轨与直线轴承标准配合，能保证各个滑轨在中间块中滑动，复位弹簧两端分别插入中间块的凹槽和角支架的凸起内，与转动机构中的复位弹簧执行原理相同，均是通过工作过程中弹簧的作用力来实现机构的复位，该机构下端通过底座与地面固连以保证属具架整体的固定和正常工作，平移结构如图5。

图5 平移组结构示意图1.角支架 2.底板 3.复位弹簧 4.滑轨 5.直线轴承 6.底座 7.中间块

考虑到属具的尺寸大小及工作过程中属具架结构的稳定性，底板设计成边长为1 200 mm、厚30 mm的正方形钢板；托板厚30 mm，主受力底面长800 mm宽450 mm。该属具架结构整体占地面积为1 440 000 mm2,总高度为820 mm。

3 基于ANSYS工作台的结构强度分析[3]

3.1 模型建立

使用SolidWorks软件，建立固定框架的三维模型，打开有限元解析软件，导入解析模型，选择Q345钢作为材料，设定弹性模量Ex=206 000 MPa，Poisson比U=0.3，密度为7 850 kg/mm3。网格由10个节点的四面体(尺寸为5 mm)划分。网格划分后的结果如图6所示。

图6 网格划分示意图

3.2 结构接触设置

如图3、5所示，该结构的危险部位在托板与角支架的螺栓连接处和最下端的滑轨与角支架的连接处，为了模型求解方便，且尽可能使模型处理与实际工况相符，故只在上述两类危险部位更改默认接触，其他部分的接触仍为bond。将四个螺栓连接及轴与主体的接触面由默认的固连改为有相对滑动，其中摩擦系数设定为0.5。以两接触面为例，如图7所示。

图7 接触设置示意图

其中，上述螺栓和两个长滑轨是需要重点关注的部位，所以该部位附近的网格需要加密[4]。将其网格尺寸由5 mm改为2 mm，如图8所示。

图8 局部网格加密示意图

3.3 边界条件施加

先对四个底座下底面施加固定约束，然后对模型整体施加重力加速度，在垂直于托板向下的方向施加2 000 N的均布载荷.根据螺栓预紧力公式[5]：

(1)

查阅机械手册得8.8级普通螺栓的许用应力[σ]=640 MPa，螺栓危险截面的直径d=17.84 mm；F0为螺栓所受的预紧力。由计算可得：F0=123 060 N。边界条件施加结果如图9所示。

图9 边界条件施加结果示意图

(2)

式中：F=2 000 N,δs=345 MPa,δ0=198.83 MPa。

3.4 结果分析

当施加2 000 N静载荷时，其最大应力所在位置如图10所示在长导轨处，最大应力值为198.83 MPa，符合实际情况。该结构钢的屈服极限在345 MPa，由于该模型零件数较多，用计算机解决一次求解问题需要消耗大量时间，所以为了节省时间和成本，笔者通过公式(2)计算得出当施加3 470 N的静载荷时，导轨达到屈服极限345 MPa。通过静力学分析显示，属具架的极限承载能力为347 kg，能够完成中小型属具的更换，满足设计需求。

图10 结构等效应力云图

4 结 语

介绍了属具架的结构设计和基于整体特征的有限元分析。该机构具有一个转动和两个移动共三个自由度[2]，故其在水平面内无约束，可做任意运动，保证了属具更换过程中的灵活性，在很大程度上提高了破拆机器人的工作效率。同时由应力分析结果可知，该结构目前的承载能力相对较弱，以上结果也为属具架的优化改进提供理论依据。