CN106066903B - 一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法，用于机器人末端执行器在结构设计阶段的强度校核，将组成末端执行器的部件分为成品件、结构件、紧固件以及附属配件，按照功能区依次对成品件、结构件、紧固件进行强度校核。本发明通过解析法与有限元法的结合，降低了校核难度，为设计提供技术支持，缩短了设计周期。

Description

一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法

技术领域

本发明属于机械结构设计与强度校核领域，具体涉及一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法，为机器人末端执行器复杂机械结构设计提供高效便捷的结构强度校核方法，获得设备各关键结构组件的强度性能，为末端执行器的轻量化设计和结构优化提供技术支持。

背景技术

随着飞机装配领域的高度自动化发展，多种基于多自由度机器人和高精度末端执行器的特种飞机数字化装配设备得到广泛研究和迅速发展，为了满足飞机装配精度，对末端执行器的设计提出了新的要求，一方面，末端执行器上需要添加大量传感器，实现对力、位置等的精准控制，不仅增加了末端执行器的结构负载，对结构轻量化提出了要求，而且对其安装位置处的变形及结构强度要求进一步提高；另一方面，末端执行器工作过程中要受到制孔力、压脚力多种外力作用，对结构的整体变形误差和承载强度的要求也进一步提高。结构轻量化需求与强度要求提高的矛盾，对机械结构设计阶段的强度校核提出了新的要求，快速高效的结构强度校核可以有效提高设计效率，缩短结构设计周期。

机械结构的强度校核通常发生在设备初步设计完成阶段，通过强度校核对设备整体的力学性能进行评估，依据校核结果对设计进行修正，因而机械结构的设计与强度校核是一个不断迭代的过程，二者在设备结构设计阶段缺一不可。目前针对复杂机械结构设计与强度校核主要有以下三种方法：经验法、解析法和有限元法。其中经验法主要基于设计人员的经验，通过设计人员估算结构件的厚度、宽度等参数，进行结构设计，满足设计需求。该方法主要基于技术人员经验，方法的稳定性较差，缺乏充足的理论基础，在进入数字化设计之前大量应用。因其所需设计周期短，目前针对简单非主承力结构件的设计仍有少量应用；而解析法依据理论力学、材料力学等理论知识，针对结构件进行等效分解和受力分解，计算结构极限状况下的承载，进而判断结构是否合理，该方法切实可靠，但是工作量大，对于受复杂载荷的结构件，经常存在力、力矩耦合等问题，需要设计人员有较深的力学知识才能获得满意的结果，该方法目前主要用于两方面：简单结构件的校核和关键结构件的二次校核。得益于有限元技术的发展，现阶段应用较为广泛的强度校核方法是有限元法，该方法基于有限元理论，依托于各种有限元分析软件，通过导入末端执行器等复杂设备，进行边界条件和加载分析，生成相应的应力应变云图，可以直观的观察到变形情况，进行强度校核。但是该方法对计算机的运算能力要求较高，一般性能的计算机无法满足目前末端执行器等设备的强度校核要求，从而制约了该方法的应用。因而，设法在保证校核准确性的同时，简化模型，减少计算量是解决该问题的一种切实可行的方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于解析法和有限元法的分步进行的面向机器人末端执行器的强度校核方法，用于简化分析模型，减少计算量，提高计算效率。该方法的主要思路包括“结构拆分—模型简化—成品件校核—结构件校核—紧固件校核”等几方面，通过合理划分结构组成，简化计算量，实现强度校核。

本发明的技术方案为：

所述一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对组成末端执行器的零部件进行拆分，将零部件分为成品件、结构件、紧固件以及附属配件；所述成品件为末端执行器中采用的各种标准化组件；所述结构件为末端执行器中采用的各种非标准化组件；所述紧固件为用于连接的连接件；再依据末端执行器的功能以及连接关系，将末端执行器划分为多个功能区；并对每个功能区进行如下强度校核步骤：

步骤2：对功能区中的零部件进行受力分析，去除功能区内的非承力件和附属配件，得到功能区中需要校核的零部件；

步骤3：对功能区中的成品件进行强度校核：根据成品件提供商提供的选型与校核手册对成品件进行强度校核；若满足强度要求，则进行下一步，否则重新选型，重新进行步骤3；

步骤4：对功能区中的结构件进行强度校核：

步骤4.1：提取直接承受外力的结构件三维模型，导入有限元软件中，并在有限元软件中对该结构件三维模型施加载荷，其中该结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；在有限元软件中计算该结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改结构件，重新进行步骤4.1；

步骤4.2：提取与前一校核结构件有接触关系的待校核结构件三维模型，导入有限元软件中；在有限元软件中，将已校核结构件做刚性处理，并根据实际配合关系，在有限元软件中建立本步骤校核结构件与已校核结构件的连接关系，同时将本步骤校核结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；若已校核结构件上有外部载荷，则保留外部载荷；在有限元软件中计算本步骤校核结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改本步骤校核结构件，重新进行步骤4.2；

步骤4.3：重复步骤4.2，直至完成所有结构件的强度校核；

步骤5：对紧固件进行强度校核：根据紧固件的受力情况，计算紧固件截面强度，校核紧固件的抗剪强度、抗弯强度和拉压强度；若紧固件满足强度要求，则方法完成，否则修改紧固件连接方式或尺寸，重新进行步骤5。

有益效果

该发明可以在机器人末端执行器进行强度校核过程中，简化模型，减少计算量，缩短设备设计周期。

(1)采用解析法与有限元法相结合的强度校核方法，保证强度校核的准确性，同时针对复杂组件，两者相结合降低了校核难度。

(2)通过简化模型，减少了有限元的计算量，降低了对计算机性能的要求，扩展了该方法的应用范围。

(3)针对末端执行器等复杂机械结构，在进行整理结构强度校核的同时，对各组件也进行了校核，有利于保证各传感器的安装使用精度。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：强度校核流程图；

图2：制孔末端执行器功能区划分；

图3：制孔末端执行器模型简化；

图4：制孔末端执行器模型简化示意图；

图5：导轨滑块承力与尺寸图；

图6：功能区1法兰螺栓安装孔示意图；

图7：系统总体受力示意图；

图中：1-第一功能区；2-第二功能区；3-第三功能区；4-第四功能区；5-第五功能区；6-第一限位开关；7-第一光栅尺；8-第二光栅尺；9-第一限位开关；10-冷却喷嘴；11-吸尘接口；12-法向测量模块；13-第一螺栓；14-第一导轨；15-第一滑块；16-第二导轨；17-第二滑块；18-第二螺栓；19-第三滑块；20-螺栓连接孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明用于机器人末端执行器在结构设计阶段的强度校核，通过解析法与有限元法的结合，降低了校核难度，为设计提供技术支持，缩短了设计周期。下面结合附图和实施方法、实施实例，以某制孔末端执行器为例，分析其在工作过程中受制孔力、压脚力以及自身重力作用力下的变形情况，进行强度校核。

具体实施步骤如下：

步骤1：对组成末端执行器的零部件进行拆分，将零部件分为成品件、结构件、紧固件以及附属配件。

所述成品件为末端执行器中采用的各种标准化组件。现代工业的发展越来越趋向于专业化与专一化，复杂机械设备的设计必然会采用部分已经成熟的结构组件，本实施例中的成品件即指各组件提供商提供的可用于末端执行器等设备的成熟的成套组件，如导轨、滑块导向机构，丝杠等。

所述结构件为末端执行器中采用的各种非标准化组件。为满足功能和安装要求，设计过程中会设计各种异形零件，其中尤其以金属结构的自制件为主，本实施例中的结构件即指末端执行器上需要设计人员自己加工处理的各类零部件。

所述紧固件为用于连接的连接件。本实施例中的紧固件指用于连接各成品件与结构件，实现结构统一的各类螺栓、螺钉等连接件。

再依据末端执行器的功能以及连接关系，将末端执行器划分为多个功能区；并对每个功能区分别进行强度校核步骤。

附图2显示了该制孔末端执行器的功能划分，依据实现的功能以及连接情况，将其划分为五个功能区。其中第一功能区为连接法兰，主要起连接作用，其上端通过螺栓与机器人连接，下端通过螺栓与第二功能区连接。第二功能区为压力脚进给底座，其主要作用为作为压力脚进给平台的底座，安装有导轨，其上端通过螺栓与第一功能区连接法兰连接，下端通过螺栓连接一套导轨成品件。第三功能区为主轴进给底座，该功能区除了可以带动压力脚进给外，还作为主轴进给平台的底座，其上通过螺栓连接于一套滑块成品件上，下边通过螺栓连接一套导轨成品件。第四功能区为主轴进给区，主要带动主轴进给，其上通过螺栓连接一套滑块成品件上。第五功能区为压力脚区，是直接与零件接触，承受零件的支撑力的区域，其连接是通过螺栓连接于第三功能区主轴进给底座上。通过以上的结构拆分与功能区划分，将复杂的制孔末端执行器划分为5个功能区，各部分相对独立，针对其强度的校核也方便。

步骤2：对功能区中的零部件进行受力分析，去除功能区内的非承力件和附属配件，得到功能区中需要校核的零部件。

针对机器人制孔末端执行器各功能区内的零件的功能进行分析，去除非承力结构，简化模型。如图3所示，该末端执行器中第一限位开关6、第一光栅尺7、第二光栅尺8、第二限位开关9、冷却喷嘴10、吸尘接口11以及法向测量模块12在整个模型中就属于非承力结构。具体各功能区的简化情况如下：第一功能区1主要为连接法兰，无非承力结构；第二功能区2中的第一限位开关6、第二光栅尺7均为非承力结构，需将之删除，简化模型；第三功能区3中也是第二光栅尺8和第二限位开关9为非承力结构，需将之删除，简化模型；第四功能区4中无需要简化的零件；第五功能区5中的冷却喷嘴10、吸尘接口11以及法向测量模块12都属于非承力结构，可以去除。经过简化后的末端执行器示意图如图4所示。

步骤3：对功能区中的成品件进行强度校核：因为成品件以靠外购为主，因而根据成品件提供商提供的选型与校核手册对成品件进行强度校核；若满足强度要求，则进行下一步，否则重新选型，重新进行步骤3。

本实施例中主要为导轨、滑块强度校核。从简化后的末端执行器中我们可以看到，导轨、滑块是主要承力成品件，而通常针对导轨、滑块的选型手册中导轨和滑块是成套出现的，下面针对图4中的第三功能区3和第四功能区4之间的导轨滑块强度进行校核。该部分共有两根导轨，每个导轨上有两个滑块，图5显示了一根导轨及其上的两个滑块的受力情况和相应的关键尺寸。其中导轨滑块与受力点的纵向距离l₁＝145mm,两个滑块横向间距为l₂＝130mm，受到的纵向力为F₁＝400N，横向力为F₂＝2000N。其中F₁对每个滑块产生200N的拉力，对第二滑块17产生最大T₁₁＝400N×0.065m＝26Nm的顺时倾覆力矩，对第三滑块19产生最大T₂₁＝400N×0.065m＝26Nm的逆时倾覆力矩。F₂对第二滑块17产生最大T₁₂＝2000N×0.145m＝290Nm的顺时针倾覆力矩，对第三滑块19产生最大T₂₂＝2000N×0.145m＝290Nm的顺时针倾覆力矩.故第二滑块17承受200N的拉力，26+290＝316Nm的顺时针倾覆力矩；第三滑块19承受200N的拉力，290-26＝264Nm的顺时针倾覆力矩。选取安全系数2，第二滑块17的额定承载需满足拉力400N，额定倾覆力矩632Nm；第三滑块19的额定承载需满足拉力400N，额定倾覆力矩528Nm。设计中选用的是IKO品牌的自润滑圆柱滚子直线导轨MX15系列，该系列的额定负载为11500N，额定力矩为942Nm，满足设计需求。

步骤4：对功能区中的结构件进行强度校核：

步骤4.1：提取直接承受外力的结构件三维模型，导入有限元软件中，并在有限元软件中对该结构件三维模型施加载荷，其中该结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；在有限元软件中计算该结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改结构件，重新进行步骤4.1；

步骤4.2：提取与前一校核结构件有接触关系的待校核结构件三维模型，导入有限元软件中；在有限元软件中，将已校核结构件做刚性处理，并根据实际配合关系，在有限元软件中建立本步骤校核结构件与已校核结构件的连接关系，同时将本步骤校核结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；若已校核结构件上有外部载荷，则保留外部载荷；在有限元软件中计算本步骤校核结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改本步骤校核结构件，重新进行步骤4.2；

步骤4.3：重复步骤4.2，直至完成所有结构件的强度校核。

成品件校核完成后，需要对结构件进行校核，本步骤的校核主要以有限元计算为主，下面针对第五功能区5为例进行校核。第五功能区5作为整个末端执行器制孔的基准平面，不仅应保证压力脚工作平面的平面度，在整套末端执行器安装完成之后，最重要的是保证该工作平面与主轴轴线的垂直度。因此，当压力脚压紧壁板，最大反作用力为500N时，应保证压力脚的变形挠度在误差范围内。针对压力脚受力情况进行有限元分析，其中第五功能区5上部与第三功能区3通过第二螺栓18连接，因此做固支的边界条件，而压力脚前端面承受最大500N的压力，压力脚材料选为Q235钢，有限元分析的结果表明该功能区的最大变形为0.005mm，满足设计允许的最大变形量0.03mm的误差要求，并可做进一步的优化处理。

步骤5：对紧固件进行强度校核：根据紧固件的受力情况，计算紧固件截面强度，校核紧固件的抗剪强度、抗弯强度和拉压强度；若紧固件满足强度要求，则方法完成，否则修改紧固件连接方式或尺寸，重新进行步骤5。

图6展示了第一功能区1法兰底部的螺栓安装孔，共有六个M8的螺栓安装孔20，六个螺栓均匀承载，每个螺栓承受总载荷的六分之一。该处的螺栓连接属于机械设计手册中承受预紧力的紧螺栓连接承受横向载荷的情况。强度的校核要从两方面入手：1)首先为满足横向载荷要求的，需要对螺栓的预紧力矩进行校核；2)其次为满足工作拉力要求，需要对螺栓的抗拉强度进行校核。下面分两部分介绍：

1)为满足横向载荷要求的预紧力矩校核

当普通螺栓连接承受横向载荷时，由于预紧力的作用，将在接合面间产生摩擦力来抵消横向载荷。预紧力F₁'的大小需根据接合面不产生滑移的条件确定。这种靠摩擦力抵抗横向载荷的螺栓要求保持较大的预紧力，此处取接合面静摩擦的最大值近似等于动摩擦，动摩擦的摩擦系数f取0.2，则连接接合面不产生滑移的预紧力F₁'的计算式为：

F₁'＝F/f＝((F₂+F₃)/6)/f＝((2000+200)/6)/0.2＝1833N

依据预紧力矩与预紧力的转化关系，

T＝KDF₁'

其中K为扭矩系数，推荐值为0.2，D为螺栓的公称直径。

依据此式计算得到的预紧力矩为2.93Nm，而M8的普通螺栓的最大允许拧紧力矩为10-12Nm，计算获得的值小于允许值，满足要求。

2)为满足工作拉力要求的拉伸强度校核

依据机械设计要求，螺栓受的总拉力F'等于螺栓拧紧后的预紧力F₁'与工作拉力F₂'，即F'＝F₁'+F₂'，工作拉力即螺栓所承受的纵向拉应力，对于一个螺栓其具体数值为F₂'＝F₁/6＝1400/6＝233N，故螺栓受的总拉力F'＝1833+233＝2066N。

依据机械设计要求，螺栓危险截面的拉伸强度条件为：

其中D为螺栓公称直径，依据此式计算得到的截面拉应力σ＝53.46MPa，大大低于4.6级M8螺栓的屈服强度240MPa，满足设计要求。

通过以上分析可知，6个M8的螺栓满足强度要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种面向机器人末端执行器的结构强度校核方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对组成末端执行器的零部件进行拆分，将零部件分为成品件、结构件、紧固件以及附属配件；所述成品件为末端执行器中采用的各种标准化组件；所述结构件为末端执行器中采用的各种非标准化组件；所述紧固件为用于连接的连接件；再依据末端执行器的功能以及连接关系，将末端执行器划分为多个功能区；并对每个功能区进行如下强度校核步骤：

步骤2：对功能区中的零部件进行受力分析，去除功能区内的非承力件和附属配件，得到功能区中需要校核的零部件；

步骤3：对功能区中的成品件进行强度校核：根据成品件提供商提供的选型与校核手册对成品件进行强度校核；若满足强度要求，则进行下一步，否则重新选型，重新进行步骤3；

步骤4：对功能区中的结构件进行强度校核：

步骤4.1：提取直接承受外力的结构件三维模型，导入有限元软件中，并在有限元软件中对该结构件三维模型施加载荷，其中该结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；在有限元软件中计算该结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改结构件，重新进行步骤4.1；

步骤4.2：提取与前一校核结构件有接触关系的待校核结构件三维模型，导入有限元软件中；在有限元软件中，将已校核结构件做刚性处理，并根据实际配合关系，在有限元软件中建立本步骤校核结构件与已校核结构件的连接关系，同时将本步骤校核结构件与其他未校核结构件的连接位置设置为固支条件；若已校核结构件上有外部载荷，则保留外部载荷；在有限元软件中计算本步骤校核结构件的应力应变云图，校核该结构件强度；如果该结构件满足强度要求，则进行下一步骤，否则修改本步骤校核结构件，重新进行步骤4.2；

步骤4.3：重复步骤4.2，直至完成所有结构件的强度校核；

步骤5：对紧固件进行强度校核：根据紧固件的受力情况，计算紧固件截面强度，校核紧固件的抗剪强度、抗弯强度和拉压强度；若紧固件满足强度要求，则方法完成，否则修改紧固件连接方式或尺寸，重新进行步骤5。