基于ABAQUS拓扑优化的SCARA机器人大臂优化设计.pdf
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1、:./.基于 拓扑优化的 机器人大臂优化设计王 宁(佛山隆深机器人有限公司广东 佛山)摘 要:为了减轻 机器人质量提升机器人的整体性能该文提出一种机器人力学仿真分析及拓扑优化的轻量化设计思路 首先分析了机器人在运行条件下的大臂受力情况 然后采用 软件对 机器人大臂关节进行静力学分析与模态分析 最后根据分析结果使用 中的拓扑优化功能进行结构优化 分析结果显示优化后的大臂实际减重.整体变形量降低.低阶固有频率明显增加 此次优化分析实现了大臂轻量化设计以及结构性能改善的目的关键词:机器人拓扑优化结构设计静力学分析模态分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言随着工业自动化的发展机器
2、人其可代替人工完成大多数重复性工作而应用领域越来越广泛 机器人由于占地面积小、运动节拍快、工作区域大等特点在电子、医疗等行业中被广泛运用 传统 机器人为保证机器人本体刚性其结构负载冗余量较大结构支撑较为厚重这会导致机器人功耗增加运动速度降低 此外最大负载及整体性能也会受到限制电机、减速机等标准件成本随之增加 而轻量化设计能够有效解决和优化这些问题 这使得轻量化设计在提高机器人性能、降低成本以及减少能量损失方面作用明显很多专家及科研机构的研究主要集中在材料替换及结构优化方面 例如 等利用 和 软件分析了焊接机器人在极限工况下的应力情况 之后通过 软件实现拓扑优化在性能及精度提升的前提下实际质量降
3、低了.孙晨光等利用 软件对 机器人大臂进行拓扑优化在大臂外型尺寸固定不变的情况下去除多余部分材料使其质量降低 结构前三阶固有频率提升结构变形量降低 宋浩等提出了一个 工业焊接机器人的静态动力学分析和拓扑优化方法并最终验证了利用相关软件进行结构设计和拓扑优化的可行性 管贻生等提出工业机器人的结构分析和优化设计方法最终优化后机器人的总静态变形减少.并且在质量增量只有 前提下实现五阶固有频率提高.这意味着在完成拓扑和结构优化的过程中运用软件工具的方法是有效且可行的 现阶段在工业机器人结构的轻型设计上有了很多突破但针对 机器人优化研究相对较少 机器人大臂起到了支撑末端负载、连接小臂与底座的作用 在满足
4、其刚性、抗扭转能力的同时也要求其尽量轻量化 因此在保证使用结构功能的情况下根据受力情况进行有效的步筋支撑以及去除多余材料是主要的设计思路 此外由于实际的使用工况及生产过程很少被考虑很多优化模型不研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:王 宁()男吉林通化人硕士工程师研究方向:机器人结构设计及优化仿真能被实际验证也无法获得实际的性能参数 因此将有限元计算与实际产品相结合是探索未来机械结构设计及应用的有效方法笔者主要讨论机器人实际工况下的负载及受力情况并基于 软件对原有模型进行极限工况下的力学分析及模态分析 在保证原有大臂使用性能的前提下对其进行轻量优化并对优化后模
5、型进行相应的动态分析最终对优化后产品进行实际产品验证 机器人优化思路及预处理文中研究的 机器人行程为 机器人总体质量为 其中一二轴距离及二三轴距离分别为、机器人末端负载 轴上下速度 /加速度 /该机器人为串联机器人可进行水平和竖直范围运动 机器人结构类似于悬臂梁结构由底座、大臂、小臂、末端执行器组成静态条件下底座连接位置的位移绝对固定 其中大臂为主要部件之一占据机器人三成质量及体积此零件质量对机器人性能有十分显著的影响 因此文中选择大臂作为结构优化设计对象.机器人结构优化思路机器人大臂结构优化流程图如图 所示具体优化步骤如下:对原模型进行特征简化以便于划分网格及仿真准备导入模型相关参数及外界条
6、件对简化后的模型进行力学分析基于力学结果对模型进行拓扑优化根据拓扑优化结果重新设计优化后大臂模型并进行分析对比及模型调整若优化后模型没有达到最优解则再次进行优化 若已达到目的则整个优化过程结束图 拓扑优化流程.模型预处理在进行仿真分析之前需要进行结构特征简化在大臂原始模型上有很多倒角、凹槽等特征例如大臂的铸造拔模角或金属加工避空、倒角等 这些特征对于大臂的力学性能影响很小但其存在会降低分析速度及网格质量 因此可用 软件去除不必要特征输出简化模型后导入 软件中简化后模型如图 所示 采用适用复杂模型计算的 单元进行四面体网格划分网格密度设置为最终网格划分元素为 个共有 个节点.参数确认 机器人大臂
7、材料为铝合金 材料密度 /泊松比.弹性模量./屈服强度./抗拉强度 屈服应力 根据机器人质量、载荷可得出:.另外一二轴加速度分别为:././因此计算可得机器人加速情况下受到的侧向力.根据图 受力分布以及机器人本身受力和力矩条件可以得到以下方程:()()()()()()()()()图 简化模型图 机器人受力分析 机器人静力学及模态分析 机器人整体可看作一种特殊的悬臂梁结构机器人运行时大臂应力大小及变形量直接影响机器人运动精度因此使用 软件对大臂进行静力学仿真 首先固定大臂末端与减速机连接位置基于之前的受力分析给大臂输入各方向的受力 静力学仿真后结果如图 所示 由图中可看到原结构的大臂末端变形向重
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