空心砖下线码垛智能装备机构设计与拓扑优化_刘潇.pdf

收稿日期:2022-08-16作者简介:刘潇(1982-),男,重庆人,本科,研究实习员,智能制造与科研管理。空心砖下线码垛智能装备机构设计与拓扑优化刘 潇,朱天旭,黄俊锋,吕 旭,魏国军,陈 可(重庆工业自动化仪表研究所有限责任公司,重庆 401121)摘 要:针对隧道窑制作烧结空心砖在规模化生产模式中下线码垛低效率的情况,对原人力码垛、搬运方式升级,设计了一种柔性夹持的码垛智能装备。这种装备旨在解决空心砖焙烧后,残留余热导致工作环境差,人工下线码垛效率低等问题。使用 Solidworks 建立了智能抹平装备的模型,并利用有限元分析软件对结构进行模拟分析,根据分析结果进行了拓扑优化。关键词:空心砖;柔性夹持;机构设计;拓扑优化 中图分类号:TP273 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.262The Structural design and Topology optimization of Hollow brick off the production line Intelligent palletizing equipmentLIU Xiao,ZHU Tianxu,HUANG Junfeng,LV Xu,WEI Guojun,CHEN Ke(Chongqing Institute of Industrial Automation Instrumentation Co.,Ltd,ChongQing 401121,P.R.China)Abstract:Aiming at the inefficiency of downline palletizing of sintered hollow bricks made in tunnel kiln in large-scale production mode,an intelligent palletizing equipment with flexible clamping was designed to upgrade the original manpower palletizing and handling mode.This equipment aims to solve the problems of poor working environment and low efficiency of manual off the production line stacking caused by residual heat after calcination of hollow bricks.In this paper,SolidWorks is used to build the model of intelligent leveling equipment,and the finite element analysis software is used to simulate the struc-ture,and the topology optimization is carried out according to the analysis results.Key words:hollow brick;flexible clamping;mechanism design;structural topology optimization0 引言随着科学技术和建筑工程行业的快速发展,为满足人们对于建筑物多功能和高质量的要求,强度高、质量轻,兼具出色的保温性能,施工成本也更低的空心砖被越来越广泛地使用,其生产技术也随之不断完善1。由于空心砖制作时间比传统砖更短,而且孔隙可以自动出现,空心砖在生产速度上本就具有一定的优势2,随着智能化、自动化生产方式进步,目前已经实现了批量化生产。空心砖按照制作工艺可以分为烧结和免烧空心砖,如图 1 所示,左侧的单块红砖为烧结空心砖,右侧堆叠的灰砖为免烧结空心砖。烧结空心砖完成焙烧工艺后会比免烧结空心砖拥有更高的强度,生产工艺更便于自动化,而免烧结需要额外加入水泥提高了成本,因此,目前空心砖制造企业主要生产烧结空心砖,其中又以隧道窑居多。然而空心砖本身的结构中空,使其对震动和冲击的抗性较差。虽然相对于实心砖而言质量更轻,但是在生产到使用的过程中需要相应措施避免冲击载荷作用砖体导致损伤,反而对其码垛、运输具有更高的要求。为了避免不必要的损耗,目前焙烧工艺后空心砖的下线码垛环节效率较低,跟不上生产节拍。此外,现行码垛方式还存在着自由度低,灵活性差,惯性大等问题,影响着整体生产效率。图 1 烧结空心砖和免烧结空心砖对比目前,空心砖的烧结仍然离不开高温窑炉,窑炉内温度可以达到 600 900,工作现场环境恶劣,烧制过程普遍由工人拖出和推入,生产效率低下,而自动化生产流水线,可有效解决这些问题。因此,实现空心砖下线的自动化、智能化具有重要意义。现对于码垛机器人主要在机器人关节结构优化3,控制系统最优4,运动、工作空间等5研究上,手爪抓取贴合上。其中抓取贴合研究目前主要方向为仿生机械手,更倾向于果实采摘6、食物运输7或拿取重要物品8夹持力的控制和稳定,对于搬运空心砖这种具有一定重量且能够承受较高压力物体的研究较少。针对这种情况,设计了一种基于工业机器人和柔性输出力的空心砖搬运智能装备,该装备用于空心砖焙烧的下线环节,可一次性快速准确地将多块空心砖移动到262空心砖下线码垛智能装备机构设计与拓扑优化 刘 潇,等指定地点。对于空心砖的规模化生产起重要作用。对于空心砖本身具有较大重量的情况,空心砖搬运智能装备的结构需要更为稳定,然而其重量的提升又会导致对工业机器人负载需求的提升,基于这一矛盾,通过 Solidworks 软件建立了三维模型,并利用有限元分析软件对智能码垛装备的结构薄弱处的应力应变进行模拟分析。1 作业环境以及匹配位置分析由于空心砖在隧道窑中是按照一定方式放置的,因此,抓取时需要从最顶层开始从窑车上将其沿轴向方向从下往上提出,作业过程应在与一层空心砖总长宽相匹配的柔性夹持装备空间中完成。空心砖的一面应该与夹持装备或与另一块空心砖的表面紧紧贴合,才能保证整个一层的空心砖都受到有效的夹持力。空心砖的尺寸会有一定波动,普通的刚性夹持装备可能会因为公差叠加的缘故无法形成有效受力点。一块空心砖的规格为 400 mm200 mm200 mm,质量大约为 19.02 kg。当它们如图 2 所示紧密排布(25)的时候,可以看到整体尺寸可能出现较大波动,实际尺寸偏小的砖块都有在搬运过程中脱落的风险。因此,要求抓取结构能够防止这种安全事故的发生,柔性夹持装备恰好能够提供有效且均匀等量的正压力来保证安全性。根据上述分析情况,空心砖下线码垛夹持装置的设计特征见表 1 所示。图 2 一层紧密排列的空心砖模型表 1 空心砖下线码垛夹持装置设计特征设计特征内容描述安全性抓取过程无冲击载荷,码垛过程中砖块不脱落可靠性作业过程中能够有效地对一层空心砖进行固定,并在到达位置前不失效抓取冲击抓取时不出现冲击情况,从设计角度考虑使用方式装置强度一层空心砖具有较大重量,不出现装置材料强度不足或结构强度不足柔性适应砖块生产可能存在的误差2 装置及实现功能空心砖下线智能码垛装备工作部分由机架,安装在机架上的长边夹紧机构和短边夹紧机构及其控制系统组成。空心砖自动下线智能码垛机器人整体结构如图 3所示,以 KUKA 机器人作为基础,该六轴机器人具有足够的工作空间,可以将焙烧完成的空心砖从窑车下线码垛。图 3 空心砖自动下线智能码垛机器人模型空心砖自动下线装备工作部分的具体结构如图 4所示,正中心是最顶部带有用于连接机器人的快速连接盘的整体框架结构,四周则是夹紧机构。夹紧机构分为长边夹紧机构和短边夹紧机构。长边夹紧机构包括两个相对设置的长夹爪组件以及用于带动两个长夹爪组件相互靠近或者远离的长夹爪驱动组件,长夹爪组件均包括长夹基架以及若干沿长度方向分布在长夹基架内侧的长爪夹板,长夹基架上均安装有分别能够带动对应长爪夹板靠近或者远离相邻长夹基架的长爪夹板驱动组件。短边夹紧机构除长度尺寸外和长边夹紧机构相同。两块长夹基架与两块短夹基架两两相对设置,并合围构成可以调整长短具有适应能力的矩形结构。基架上有若干驱动气缸,工作时气缸推杆作用在空心砖表面,提供正压力。图 4 空心砖自动下线装备工作部分模型长边夹紧装置上的电机驱动长杆丝杠旋转,使得长爪组件能够如图 5 中所示,在一定范围内移动。同理,短边夹紧装置上的电机驱动短杆丝杠旋转时,短爪组件也可以如图 6 所示,在一定范围内移动。两对夹紧装置进行适当的移动,可以调整所形成的矩形结构,对于空心砖的数量具有一定的适应能力。图 5 空心砖自动下线装备工作部分长边移动视图362自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)图 6 空心砖自动下线装备工作部分短边移动视图图 7 为短爪组件的俯视图,基板上均匀分布着小型气缸,每个小型气缸都带有两个导向杆和一个推力杆。在控制系统的作用下,推杆将推动面板紧贴在空心砖的表面,并提供稳定的持续输出力。气缸的行程使得该夹紧装置能够自动适应空心砖尺寸的波动,保证了工作时的有效夹持。图 7 短爪组件俯视图3 路径优化与效率提升机器人的运动规划随着工业机器人在加工制造业等各个领域中应用需求的增多而变得越来越重要。工业机器人的运动规划可以分为两个部分:其一被称为路径规划,其二被称为轨迹规划。在路径规划的基础上加入时间序列信息,也就是对机器人的动作的速度与加速度加以控制,就是轨迹规划。轨迹规划可以使得机器人末端运动变得光滑,加快机器人完成整个动作周期的速度。由于本装置具有夹持稳定,具有良好的刚性等特点,使得机器人的运动路径可以优化到最速的同时,仍然保证其安全性。相比于稳定性不佳的夹持方式,可以直接省略掉进行缓速向上提起以确认抓取可靠性的步骤,路径也从为了保持安全的阶梯状轨迹变成一条平滑的曲线。经过路径优化后一次搬运时间从 12 s 降低至 9 s 左右,在高强度的生产过程中能够节约更多时间,使得空心砖的码垛效率大大提升。4 拓扑优化由于空心砖本身具有一定重量,为了提高码垛效率,每次搬运动作运送尽可能多的砖块是最直接的方式。然而这就导致了一种矛盾,为了能够搬运更多砖块,就必须提高下线码垛装备的强度,在不方便添加加强结构时,增加用料就成了最简单的选择,但这样一来就会导致装备本身的重量增加。为了最大程度地调和这一矛盾,对装备进行拓扑优化就显得十分必要。如图 8 所示,从左至右从上至下依次为等效应力云图、等效应变云图、位移云图和原始模型。位于左上角的等效应力云图显示最大应力为 8.553107 N/m2,而7075 铝合金的屈服应力为 5.05108 N/m2,两者仍相差一个数量级;位于右上角的等效应变云图显示最大等效应变为 5.15510-4;位于左下角的位移云图则显示此时的最大位移位于机器人配盘的四角,数值为 0.351 6 mm。综上所述,该原始零件有很大的优化空间。图 8 原始零件有限元计算结果运用拓扑优化对模型进行分析,优化目标为最佳强度重量比,减少质量百分比为 30%。结果如图 9 所示,可以看到该分析将矩形配盘的短边材料进行了一定的削减,这一结果和理论是符合的。图 9 拓扑优化分析结果根据拓扑优化分析进行结构调整后的机器人配盘如图 10 所示,对比原始零件去除了一部分影响不大的材料。并再次进行了有限元分析。表 2 一轮优化前后极值对比表应力 N/m2位移 URES(mm)等效应变 ESTRN 值优化前8.5531070.351 65.15510-4优化后5.2061070.402 64.64310-4462空心砖下线码垛智能装备机构设计与拓扑优化 刘 潇,等云图的分布位置同上。从表 2 中可以看到,等效应力云图显示最大应力是 5.206107 N/m2;位于右上角的等效应变云图显示最大等效应变为 4.64310-4。对比结构优化前,最大应力应变都有所