在工业流水线工作过程中，许多岗位过分依靠工人的体力和技能，具有劳动强度大、生产效率低、工人技术不熟练等几大难题，严重影响产品的稳定性和一致性，阻碍了相关行业自动化程度的提高。因此迫切需要一种新的方式来进行更快更好的加工，数控机器人应运而生。目前在各大制造业自动化生产流水线上，数控自动化机器臂的应用越来越广。然而机器臂工作载荷复杂，对于其悬臂支撑结构会造成各向的弯扭变形。因此应该将变形量控制到一定范围以内保证支撑结构的刚度以满足机器臂的正常运转。

　　本文以某汽车制造流水线的机器臂钢结构布置方案为研究对象，通过有限元分析软件进行静力学分析求得该结构布置方案中支撑结构的变形特点，并提出改良的方案。

　　 1.整体钢架结构的初始设计

　　本文选取某厂区内生产流水线中的局部钢结构进行有限元建模分析。为了更好的分析与研究悬臂支撑结构其自身以及下部的支撑结构的结构特点，分别对装载机器臂的悬臂支撑结构，以及整体钢架结构两部分进行分析。

　　机器臂悬臂支撑结构由两根400x400x16mm 的方钢通过连接部分厚为16mm 的斜板焊接而成。有限元单元使用shell 壳单元尺寸取100x100mm。使用MSC.Patran 中MPC 多点约束单元模拟机器臂3.4 米最大臂展距离。MPC 单元是将机械臂作为一刚体考虑，忽略机械臂自身的变形，并将机械臂的质量过度至机械臂的支撑结构上。此外同样使用多点约束将截面联接至其几何中心以模拟连接机器臂的法兰接头，以此将机械臂正常运转过程中的载荷过度至支撑结构上。模型对螺栓连接等局部细节进行了适当简化。建模材料选取普通碳素钢，其弹性模量取206000MPa, 泊松比取0.3，密度取7.85x103kg/m3。悬臂支撑结构安装在底部两根板厚为16mm 的箱型梁上，并在对应支撑结构位置下方设有凸台。考虑机器臂布置的不对称，支撑结构互相之间的影响，以及避免距离约束端过近影响结果等原因，建立6 个悬臂支撑结构的局部模型。

　　 2.加载工况与约束并计算

　　在不考虑机器臂重量造成的初始位移情况下，根据机器臂生产厂商的相关数据已知机器臂运转过程中最危险工况如下：

　　表1 计算结果汇总(单位:mm)

　　表2 悬臂支撑结构底面变形量(单位：mm)

　　可以看出，要限制悬臂支撑结构的变形需要提升底部钢结构在x 轴方向上的抗扭性。根据工作要求，需要将机器臂手臂末端N 点位移限制在3mm以内。如果悬臂支撑结构再加厚，使得其板厚超过16mm 将不利于装配与采购，添加加强筋也并不经济，现针对整体钢结构的改良方案进行计算分析。

　　 3.改良方案

　　对底部钢结构增加y 向连接件，提供额外的约束。并适当减低箱型梁厚度至10mm。其中， 在悬臂支撑结构下方凸台的后方增加两道2x90x8/175x5mm 的工字钢，其跨度为2.4 米，具体形式以及约束见下图。

　　方案改良结果如下。

　　表3 改良前后N,O 点位移分量(单位：mm)

　　表4 改良前后B 点位移分量(单位：mm)

　　4.结论

　　本文以某汽车制造流水线的机器臂钢结构布置方案为研究对象，通过MSC Patran&Nastran 大型通用有限元分析软件进行静力学分析求得该结构布置方案中支撑结构的变形特点，此外也通过有限元软件模拟得出结构会对机械臂精度产生的位移的精确解。对生产商控制机械臂工作精度有着极大的帮助。此外本文还对结构改良的方案进行研究，提出了结构及刚度的优化方案。