码垛机抓手连接托架组件的轻量化

周 勇，程相文，殷海桐，王 成

(华北理工大学 机械工程学院， 河北 唐山 063200)

0 引言

码垛机抓手作为码垛机的核心部件，在码垛过程中起着至关重要的作用。对于高位码垛机而言，其质量主要集中于末端执行器——码垛机抓手[1]。抓手的质量大，则能耗高，码垛效率低。因此对码垛机抓手进行轻量化是十分必要的，本文对抓手的关键部件连接托架组件进行轻量化。

1 连接托架组件的三维模型

连接托架组件整体由连接耳板、底座、方管和法兰盘组成，采用CREO建立其三维模型，如图1所示。

1-方管；2-底座；3-连接耳板；4-法兰盘

2 拓扑优化前的静力学分析

在ANSYS/Workbench中导入连接托架组件，新建材料命名为Q235A，编辑其相关属性，并将此材料属性赋予连接托架组件的各零部件，之后划分网格，施加约束和载荷并进行静力分析。

由于连接托架组件为装配体，为避免产生应力集中，在零件连接处进行了网格细化，得到1 397 741个节点、935 960个单元，其有限元模型如图2所示。固定约束施加在法兰盘螺栓孔，载荷施加在连接耳板和方管的铰孔处，分别为221.36 N、1031.18 N。

图2 连接托架组件有限元模型

对连接托架组件的静力学分析结果如图3所示。

图3 优化前连接托架组件静力学分析结果

从图3可以看出：连接托架组件的最大应力为33.568 MPa，最大变形为0.028 mm。Q235A属于塑性材料，其安全系数一般取1.5～2.5，为了生产过程的安全性，在此取2.5，可以得到连接托架许用应力为94 MPa。通过静力分析得到的连接托架组件最大应力远小于许用应力，因此有较大的拓扑与尺寸优化空间。

3 拓扑优化及强度验证

3.1 拓扑优化

采用Topology Optimization模块进行结构拓扑，根据模型特点选取变密度法进行拓扑优化[2,3]。期间可能出现因保留质量响应过大出现拓扑不充分或反之出现重要结构被拓扑去除的现象，因此采用逐步优化法，将保留质量响应设定为80%、60%和40%分别得到拓扑结果，如图4所示。

图4 连接托架组件的拓扑优化结果

从图4可以看出：应力较大的地方如法兰盘的螺栓孔周边部分被保留，螺栓孔之外的地方和方管四周去除的材料较多；在保留质量响应为60%时，效果较好，其他两种情况则较为极端。

3.2 拓扑优化后的强度验证

拓扑优化后的模型边界较为模糊，需要根据拓扑结果重新设计零件尺寸。因此根据拓扑优化结果，重新建立了连接托架组件的三维模型，如图5所示。

图5 拓扑优化后连接托架组件的三维模型

对新建的三维模型进行静力学分析，分析结果如图6所示。

从图6可以看出：优化后模型的最大应力为41.345 MPa，远小于Q235A的许用应力。因此，可采用尺寸优化法继续对连接托架组件进行轻量化。

图6 连接托架组件拓扑优化后的静力学分析结果

4 连接托架组件尺寸优化

4.1 尺寸优化

尺寸优化采用ANSYS/Workbench的Design Exploration多目标优化模块[4,5]。在使用此模块前需要将模型进行参数化，参数化模型的方法有两种：

(1) 直接在ANSYS中建立三维模型。

(2) 通过与三维建模软件进行关联，将优化的尺寸改为以DS_开头的形式，ANSYS方可识别模型中的尺寸参数并进行优化。

在此，选取第二种方法建立参数化模型。将法兰盘厚度DS_1、方管壁厚DS_2、固定座厚度DS_3、连接耳板厚度DS_4四个尺寸作为优化参数。被优化零件的三维模型如图7所示。

图7 连接托架组件被优化零件的三维模型

优化流程如图8所示。其中Design of Experiments是试验设计过程，此次采用拉丁超立方法进行试验设计[6]，其优点是可以使得试验点均匀地分布在设计空间，具有较好的均衡性，此次有四个设计变量，给定25个试验样本点，最终生成的样本点如表1所示。其中，P5为连接托架组件最大应力，P6为其质量，通过试验设计部分自动计算得到。

图8 优化流程图

表1 连接托架组件设计样本点

在得到上述25个设计样本点后采用标准二阶响应面法建立输入输出的近似模型，得到各输入变量组合和各输出之间的响应关系。下面列举出DS_1、DS_2对应力以及质量的响应面，如图9所示。

图9 数据拟合响应面

最后以质量为优化目标，以许用应力为约束条件进入Optimization项进行优化，优化结果如表2所示。

表2 优化前后对比

从优化结果可以看出，优化后连接托架组件最大应力为82.698 MPa，小于其许用应力94 MPa，符合要求。

4.2 优化结果验证

优化过程是通过建立响应面近似模型完成的，需对结果进行验证，确保优化结果的准确性。对尺寸优化后的模型进行静力学分析，得到的结果如图10所示。

图10 连接托架组件尺寸优化后的静力学分析结果

从图10可以看出：尺寸优化后应力为82.424 MPa，与优化值82.698 MPa相差很小，证明近似模型建立较为精确。连接托架组件初始重量为6.5 kg，拓扑优化后为4.92 kg，经过尺寸优化又减轻为2.95 kg，最终减重比为54.6%。

5 结论

采用Topology Optimization和Design Exploration模块对码垛机抓手的连接托架组件进行了拓扑优化和尺寸优化，使其总体质量大大减轻，提高了材料利用率，在一定程度上降低了码垛机抓手的功耗，达到了轻量化的目的。