CN109109016B - 高速重载码垛机器人用转盘 - Google Patents

Abstract

一种高速重载码垛机器人用转盘，用于解决现有转盘无法适用于高速重载机器人的问题，或者用于解决现有转盘使用寿命低、易变形的问题，包括包括第一电机安装孔、第二电机安装孔、第一弧形立壁、第二弧形立壁、第二电机安装孔法兰面、连接板、支撑斜筋、支撑横筋、斜面凸台加强筋，所述第一电机安装孔通过所述连接板、第一弧形立壁和第二弧形立壁连接于所述第二电机安装孔上，从而形成两个轴孔相互垂直的第一电机安装孔和第二电机安装孔，为了增强两者将的连接强度，在两者间还设有支撑横筋和支撑斜筋，从而保证了所述转盘的强度和刚度。

Description

高速重载码垛机器人用转盘

技术领域

本发明涉及一种转盘，特别涉及一种高速重载码垛机器人用转盘。

背景技术

码垛机器人作为减轻操作者重体力劳动方面做出了巨大的贡献，大幅降低了操作者的劳动量。为了扩大码垛机器人的可使用范围，需要码垛机器人向高速化和重载化的方向发展。而码垛机器人要实现高速化和重载化，就需要提升设备的刚度，当机器人的刚度不能达到应有的标准时，在使用过程中机器人就会发生较大的变形，从而缩短机器人的使用寿命、影响机器人的定位精度和工作性能。而转盘是影响码垛机器人刚度的关键部件之一，如何在不增加转盘重量的情况下，提升码垛机器人的刚度，以获得高速化和重载化的码垛机器人，是需要解决的问题。

发明内容

有鉴于以上现有码垛机器人用转盘无法满足码垛机器人高速化和重载化的的问题，有必要提出一种高速重载码垛机器人用转盘，所述转盘在不增加转盘重量的情况下，提升了转盘的刚度，增加了转盘抗扭矩和弯曲的能力，同时提高了机器人避免发生共振的能力。

一种高速重载码垛机器人用转盘，包括第一电机安装部、第二电机安装部、第一弧形立壁、第二弧形立壁、第二电机安装部法兰面、连接板、支撑斜筋、支撑横筋、斜面凸台加强筋；所述第一电机安装部上设有第一电机安装孔，所述第二电机安装部上设有第二电机安装孔，所述第一电机安装孔的轴线与第二电机安装孔的轴线垂直，且第一电机安装部位于所述转盘的一侧，所述第二电机安装部位于所述转盘的中部，且所述第二电机安装孔的轴线垂直于水平基准面；所述第一弧形立壁和第二弧形立壁设置在所述第二电机安装部的法兰面上，所述第一电机安装部的外侧一端与第一弧形立壁相连，所述第一电机安装部的外侧另一端通过连接板连接于第二电机安装部法兰面上，为了增加第一电机安装部相对于第二电机安装部的稳定性、刚度，在所述第一电机安装部和第一弧形立壁之间设有支撑横筋，在支撑横筋中部和第二电机安装部法兰面之间还设有支撑斜筋；为了提升转盘整体的刚度和抗扭矩能力，在第二电机安装部相对于安装了第一弧形立壁的法兰面的另一端面上，还设有斜面凸台加强筋。

更优地，所示支撑斜筋的宽度可以与所述连接板的宽度相等。

更优地，为了提升所述支撑横筋的连接力，所述支撑横筋还可以向第一弧形立壁和第二弧形立壁远离第一电机安装部的弧面方向沿伸，以扩大支撑横筋与第一弧形立壁和第二弧形立壁的连接面积，起到增加连接强度的作用。

更优地，所述连接板的厚度可以为13mm~18mm，其长度可以在空间结构容许的情况下向第一电机安装部轴向方向延伸，且延伸的路径沿第二电机安装部法兰外沿周，以提升连接板的连接能力，从而提升整体转盘的刚度，也即提升所述第一电机安装部相对于第二电机安装部的连接强度。

更优地，为加强所述转盘的整体刚度，并提升第一电机安装部与第二电机安装部之间的连接强度，在所述第二电机安装部法兰面上还设有所述斜面凸台加强筋，所述斜面凸台加强筋为设置在相对于第一弧形立壁的另一侧第二电机安装部法兰面上，且所述斜面凸台加强筋为设置在第一电机安装部方位的第二电机安装部法兰面上的凸台结构，为了降低凸台结构对第二电机安装部法兰面的应力，所述凸台结构与第二电机安装部法兰面采用斜面过渡衔接，从而形成具有斜面结构的所述斜面凸台加强筋。

更优地，所述第一弧形立壁和第二弧形立壁远离第一电机安装部的远离端的壁厚设置为6mm~10mm，以使不影响转盘整体刚度的部位的厚度最小，实现转盘重量最小化。

所述高速重载码垛机器人用转盘的设计方法是：

1）对现有转盘进行建模，并对此模型进行应力与变形位移的仿真，仿真条件是速度不低于3m/s、承载重量不低于1560N，从而寻找现有转盘用于高速重载时在强度和刚度方面的不足；

2）将转盘的所述第二电机安装部相对于第一弧形立壁的另一侧法兰面非结构部位全部填实；将第一电机安装部与第一弧形立壁之间非结构部位的空隙也全部填实，并沿第二电机安装部法兰面沿周沿伸一定距离；

3）利用Hyperworks有限元软件对“2）”中形成的填充后的转盘进行拓扑优化分析；

4）根据“3）”的优化结果，对转盘进行高速、重载的改进。

进一步的，所述3）中拓扑优化的方法是：创建约束、施加载荷、设置最小柔度。

本发明的有益效果为：本发明所述的高速重载机器人用转盘适用于速度大于3m/s、承载重量大于1560N的机器人，且所述转盘的整体重量不大于现有适用于速度不大于3m/s、承载重量不大于1560N的机器人，从而使得现有转盘获得较好的改进，在不增加设备整体重量的情况下，扩大了设备的使用范围。

附图说明

图1是转盘三维结构示意图；

图2是斜面凸台加强筋布置示意图；

图中，1-第一电机安装部；2-第二电机安装部；3-第一弧形立壁；4-第二弧形立壁；5-第二电机安装部法兰面；6-连接板；7-支撑斜筋；8-支撑横筋；9-斜面凸台加强筋。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，将按照附图实施例进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为一种高速重载码垛机器人用转盘三维结构示意图，所述转盘包括第一电机安装部1、第二电机安装部2、第一弧形立壁3、第二弧形立壁4、第二电机安装部法兰面5、连接板6、支撑斜筋7、支撑横筋8和斜面凸台加强筋9。所述第一电机安装部1上设有第一电机安装孔，所述第二电机安装部2上设有第二电机安装孔，所述第一电机安装部1的轴线呈水平状态、所述第二电机安装部2的轴线呈竖直状态，所述第一电机安装部1通过连接板6连接于所述第二电机安装部法兰面5的沿周上，所述第二电机安装部法兰面5的一侧面上设有第一弧形立壁3和第二弧形立壁4，所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4设有厚壁段和薄壁段，所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4的厚壁段与所述第一电机安装部1相连，也即所述第一电机安装部1通过所述连接板6和所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4的厚壁段与所述第二电机安装部2连接为整体的转盘；为了增强所述第一电机安装部1和第二电机安装部2之间的连接强度，在所述连接板6和所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4之间设有支撑横筋8，在支撑横筋8和第二电机安装部法兰面之间设有支撑斜筋7，且所述支撑横筋8和支撑斜筋7的宽度等于所述连接板6的宽度；更优地，所述连接板6在空间结构允许的情况下，可以在第二电机安装部法兰面5的沿周沿伸；优选地，所述支撑横筋8在空间结构允许的情况下，可以在第一弧形立壁3和第二弧形立壁4上，向所述薄壁段沿伸；为了尽可能降低所述转盘的重量，在不影响转盘整体刚度的情况下，将所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4承受载荷较少的远离第一电机安装部1的一端的壁厚设置的尽可能薄，如可将远离所述第一电机安装部1所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4的壁厚设置为6mm；如此相对的，在不增加整体转盘重量的情况下，与所述第一电机安装部1相连的所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4的壁厚应尽可能厚，如可将所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4与所述第一电机安装部1相连的部位的壁厚设置为10mm。在所述第二电机安装部法兰面5另一侧面上设置有斜面凸台加强筋9，所述斜面凸台加强筋9整体呈扇形，扇形所述斜面凸台加强筋9与所述第二电机安装部2直接连接为一体，其余三个断面以斜面形式过渡连接于所述第二电机安装部法兰面5上，所述斜面过渡结构有效降低了凸台结构加强筋与所述第二电机安装部法兰面5的集中应力，如所述斜面凸台加强筋9相对于第二电机安装部法兰面5的斜度为30度。扇形所述斜面凸台加强筋9布置在靠近第一电机安装部1一侧的所述第二电机安装部法兰面9上，从而提升第一电机安装部1和第二电机安装部2之间的连接强度，从而保证整个转盘的刚度。

作为本实施例的优化，所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4的壁厚可以为渐变的，从而最大程度的降低由于弧形立壁厚度突变造成的应力集中，使得转盘整体刚度变差，也即所述第一弧形立壁3和第二弧形立壁4从与第一电机安装部1连接端到远离第一电机安装部1的远端其厚度逐渐减小。

作为本实施例的优化，所述连接板6的厚度，可以根据第一电机安装部1上按照的电机需要输出的转矩或者第一电机安装部1需要承受的载荷进行加厚或者减薄，例如，当第一电机安装部1承受的载荷不大于1380N时，所述连接板6的厚度设置为13mm；当第一电机安装部1承受的载荷不大于1560N时，所述连接板6的厚度设置为18mm。

对本实施例所述的转盘在现有技术转盘的基础上，重量减轻了1%、最大应力可达到35.6MPa、最大位移变形量只有0.0838mm，完成符合速度大于3m/s、承载重量大于1560N的码垛机器人对转盘刚度的需求。为此，对本实施例设置的高速重载码垛机器人用转盘采用软件进行三阶模态分析仿真，具体仿真结果如表1所示，本实施例设计的转盘与现有转盘相比，三阶模态均有所增大、结构不会发生共振，使得转盘的振动性能得到了一定的提升。

表1 现有技术转盘与本实施例转盘的三阶模态对比表（单位：Hz）

模态阶数	一阶固有频率	二阶固有频率	三阶固有频率
				现有技术	391	574	911
本实施例	427	662	932

所述高速重载码垛机器人用转盘的设计方法是：

1）对现有转盘进行建模，并对此模型进行应力与变形位移的仿真，仿真条件是速度不低于3m/s、承载重量不低于1560N，从而寻找现有转盘用于高速重载时在强度和刚度方面的不足；

2）将转盘的所述第二电机安装部相对于第一弧形立壁的另一侧法兰面非结构部位全部填实；将第一电机安装部与第一弧形立壁之间非结构部位的空隙也全部填实，并沿第二电机安装部法兰面沿周沿伸一定距离；

3）利用Hyperworks有限元软件对“2）”中形成的填充后的转盘进行拓扑优化分析；

4）根据“3）”的优化结果，对转盘进行高速、重载的改进。

其中，所述3）中拓扑优化的方法是：利用变密度拓扑优化方法，将每个单元的密度（密度变化范围为0-1）作为优化设计变量，在给定设计空间内寻求其传力路径及最佳材料分布。

上述拓扑优化的具体步骤为：

模型参数设置：转盘材料为QT500-7球墨铸铁，材料密度ρ=7.0×10³kg/m³，弹性模量E=168GPa，泊松比μ=0.293，抗拉强度σb=500MPa；

网格划分：采用四面体网格划分转盘有限元模型，网格大小4mm，单元节点数138862个，网格数量646569个；

载荷边界条件：在所述第一电机安装部1上施加顺时针转矩1560N•m（视角方向为图2中第一幅图的视角）；

约束边界条件：在所述第二电机安装部2上约束除绕所述第二电机安装部2轴线方向的转动自由度以外的其余自由度，也即所述第二电机安装部2只能有绕第二电机安装部2的轴向的旋转运动；

优化目标：柔度最小，即等同于刚度最大；

约束：材料体积百分比为30%；

约束一阶固有频率最小值为410Hz。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种高速重载码垛机器人用转盘，所述转盘包括第一电机安装部(1)、第二电机安装部(2)、第一弧形立壁(3)、第二弧形立壁(4)、第二电机安装孔法兰面(5)、连接板(6)、支撑斜筋(7)、支撑横筋(8)、斜面凸台加强筋(9)；所述第一电机安装部(1)上设有第一电机安装孔，所述第二电机安装部(2)上设有第二电机安装孔，所述第一电机安装孔的轴线与所述第二电机安装孔的轴线相互垂直，所述第一电机安装部(1)通过连接板(6)和第一弧形立壁(3)、第二弧形立壁(4)连接于所述第二电机安装部(2)上；所述第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)设置在所述第二电机安装孔法兰面(5)的一侧面上，且绕第二电机安装部(2)的轴孔形成闭环；所述斜面凸台加强筋(9)设置在所述第二电机安装孔法兰面(5)的另一侧面上，且位于第一电机安装部(1)方向上；

所述支撑横筋(8)设置在所述连接板(6)与所述第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)之间，所述支撑斜筋(7)设置在所述支撑横筋(8)和第二电机安装孔法兰面(5)之间，其特征在于，

所述第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)的壁厚为从连接第一电机安装部(1)的连接端到远离第一电机安装部(1)的远离端渐薄；

所述转盘的改进设计方法是，利用变密度拓扑优化方法，将每个单元的密度作为优化设计变量，在给定设计空间内寻求其传力路径及最佳材料分布。

2.如权利要求1所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述支撑横筋(8)和所述支撑斜筋(7)的宽度等于所述连接板(6)的宽度。

3.如权利要求2所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述支撑横筋(8)还可以向第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)远离第一电机安装部(1)的弧面方向沿伸。

4.如权利要求1所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述连接板(6)的厚度为13mm～18mm。

5.如权利要求1所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述斜面凸台加强筋(9)与第二电机安装孔法兰面(5)另一侧面采用斜面过渡连接，所述斜面的斜度为30度。

6.如权利要求5所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)的连接端的壁厚为10mm，所述第一弧形立壁(3)和第二弧形立壁(4)的远离端的壁厚为6mm～10mm。

7.如权利要求6所述的高速重载码垛机器人用转盘，其特征在于，所述拓扑优化的方法包括，

优化目标：柔度最小，即等同于刚度最大；

约束：材料体积百分比为30％；

约束一阶固有频率最小值为410Hz。

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