單銘志，楊前明，邵長新，劉啟強(qiáng)

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島東昌紡機(jī)制造有限公司，山東 青島 266540)

棉桶更換機(jī)器人前臂有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化*

單銘志1，楊前明1，邵長新2，劉啟強(qiáng)2

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島東昌紡機(jī)制造有限公司，山東 青島 266540)

由于復(fù)合機(jī)器人受AGV承載、鋰電電源功耗與自重設(shè)計(jì)限制，4軸機(jī)器人設(shè)計(jì)輕量化是其關(guān)鍵。前臂是棉桶更換復(fù)合機(jī)器人關(guān)鍵部件之一，文章以此為研究對(duì)象，在考慮滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度的條件下，以前臂結(jié)構(gòu)輕量化為首要設(shè)計(jì)考慮因素，建立前臂實(shí)體三位模型，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)前臂做靜力學(xué)分析，獲得危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力和位移變化特性；采用OptiStruct軟件對(duì)前臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完成前臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的模型做靜力學(xué)分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案最大應(yīng)力、位移均有所減??；在滿足強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要求的情況下，前臂重量減少18.4%，較好地實(shí)現(xiàn)了前臂輕量化目標(biāo)，為課題后續(xù)產(chǎn)品研制提供了技術(shù)支持，也為同類技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了借鑒。

棉桶更換；機(jī)器人；ANSYS；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化

0 引言

我國紡織行業(yè)的勞動(dòng)密集型、高溫度、高濕度和高噪聲與勞動(dòng)力季節(jié)性緊缺、成本相對(duì)較高是制約紡織行業(yè)效益與產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)瓶頸。本文提出了一種用于棉桶搬運(yùn)更換作業(yè)的機(jī)器人。文獻(xiàn)資料研究表明，用于解決棉紡車間棉桶搬運(yùn)更換作業(yè)的技術(shù)原理方法未見報(bào)道。

棉桶更換機(jī)器人是由AGV和碼垛機(jī)器人復(fù)合而成，由于受AGV承載、鋰電電源功耗與自重設(shè)計(jì)限制，在滿足強(qiáng)度剛度前提下復(fù)合機(jī)器人具有良好的輕質(zhì)量是其良好性能的重要考核指標(biāo)之一。文獻(xiàn)[1]為減小AGV自重系數(shù)，對(duì)車身骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了等強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。文獻(xiàn)[2]為解決因裝載機(jī)變速箱體笨重導(dǎo)致材料和能源浪費(fèi)的問題，對(duì)箱體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了減重和提高可靠性的目的。文獻(xiàn)[3]為提高機(jī)器人臂部靜動(dòng)態(tài)特性且降低自重，對(duì)L臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在輕量化的基礎(chǔ)上提高了靜動(dòng)態(tài)特性。本文在有限元分析的基礎(chǔ)上兼顧前臂強(qiáng)度、剛度和輕量化的要求，將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用于棉桶更換機(jī)器人前臂輕量化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與工作原理

本文所研究棉桶更換機(jī)器人整體三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。機(jī)器人主要由AGV小車和碼垛機(jī)器人組合而成。AGV小車用于完成在棉紡車間中導(dǎo)向和行走。碼垛機(jī)器人是四自由度的雙平行四邊形碼垛機(jī)器人，用于完成棉桶的搬運(yùn)和更換作業(yè)，其四個(gè)自由度為：腰部的回轉(zhuǎn)、后臂的前后運(yùn)動(dòng)、前臂的俯仰、末端抓手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.AGV小車 2、3、5、6.棉桶 4.碼垛機(jī)器人圖1 棉桶更換機(jī)器人

2 前臂有限元分析

有限元分析在用于機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析與驗(yàn)證以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面獲得普遍應(yīng)用，對(duì)首臺(tái)樣機(jī)的前期設(shè)計(jì)尤為重要。針對(duì)前臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其輕量化問題的解決方案是本文研究的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 前臂實(shí)體模型建立

在ANSYS軟件中獲得前臂實(shí)體模型有兩種途徑，一是采用三維建模軟件建立前臂實(shí)體模型后導(dǎo)入ANSYS軟件中，二是采用ANSYS自帶的建模功能直接建立前臂實(shí)體模型。鑒于在ANSYS中建立實(shí)體模型比較繁瑣，采用三維建模軟件SolidWorks建立前臂實(shí)體模型。在建模過程中，去除對(duì)分析精度影響較小的圓角、倒角等特征，簡化與分析意圖無關(guān)的細(xì)節(jié)[4]。建立的前臂三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 前臂實(shí)體模型

2.2 前臂有限元模型

前臂材料選用鋁鎂合金，在前臂實(shí)體模型上設(shè)置材料屬性，材料性能參數(shù)如表1所示。定義單元類型為solid187。采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)前臂實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后共生成單元161860個(gè)，節(jié)點(diǎn)88401個(gè)，獲得前臂有限元模型如圖3所示。

表1 前臂材料性能參數(shù)

圖3 前臂有限元模型

2.3 施加載荷并求解

棉桶更換機(jī)器人作業(yè)時(shí)，當(dāng)后臂處于垂直，前臂處于水平位置時(shí)，末端抓手因結(jié)構(gòu)受力變形所產(chǎn)生的位移量最大，前臂處于最惡劣的工況，所以選擇該姿態(tài)對(duì)前臂進(jìn)行受力分析[5]。由機(jī)器人原始設(shè)計(jì)參數(shù)知抓取載荷質(zhì)量為40kg，腕部和末端抓手的質(zhì)量為37kg，前臂的質(zhì)量為46kg，其重心位于距離前后臂連接處233mm處。棉桶更換機(jī)器人受力簡圖及結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。由前臂受力分析，根據(jù)力和力矩平衡得到方程：

(1)

1.曲柄連桿 2.前臂連桿 3.前臂 4.后臂圖4 機(jī)器人受力簡圖及結(jié)構(gòu)尺寸

由式(1)計(jì)算可得各力的值，其中前臂的重力G前=460N，負(fù)載、腕部和末端抓手的重量G末=770N，求解得前臂連桿對(duì)前臂的拉力F拉=1056N，后臂對(duì)前臂的支持力F后=2286N。前臂受力簡圖如圖5所示。

圖5 前臂受力簡圖

2.4 分析求解

根據(jù)上述對(duì)前臂的受力分析和載荷計(jì)算結(jié)果，在ANSYS軟件中在前臂模型相應(yīng)位置添加位移約束與載荷，分析求解獲得前臂應(yīng)力與位移云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 前臂應(yīng)力云圖

圖7 前臂位移云圖

分析圖6可知，前臂應(yīng)力集中主要發(fā)生在后臂和前臂連接處及左右側(cè)板上的減重孔處，最大應(yīng)力值為21.5MPa，其值遠(yuǎn)小于鋁鎂合金屈服強(qiáng)度195MPa。因此，雖然局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，但均小于鋁鎂合金屈服強(qiáng)度，所以前臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

分析圖7可知，最大位移出現(xiàn)在前臂與腕部連接部分，最大值為0.325mm。與前臂長度相比，前臂的變形量可以忽略，因此能夠滿足棉桶搬運(yùn)更換作業(yè)精度要求。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

由上述分析結(jié)果可知，前臂的強(qiáng)度、剛度滿足使用設(shè)計(jì)要求且富余量較大，但質(zhì)量相對(duì)較重。另一方面，受AGV小車承載能力的限制，希望前臂質(zhì)量相對(duì)較輕。拓?fù)鋬?yōu)化是在優(yōu)化空間內(nèi)尋找材料最佳分配，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，提高動(dòng)靜態(tài)性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[6-8]。因此，為減小前臂的重量本文采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)前臂進(jìn)行優(yōu)化分析[9]。

3.1 定義前臂設(shè)計(jì)空間及相關(guān)參數(shù)

在對(duì)前臂優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到前臂對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸及安裝布置的要求，避免因優(yōu)化后前臂結(jié)構(gòu)改變使其安裝時(shí)與其它零部件發(fā)生干涉，將前臂與前臂連桿、后臂、腕部連接部分設(shè)置為非優(yōu)化區(qū)域，其結(jié)構(gòu)尺寸不允許發(fā)生變化。其余部分設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，如圖8所示。

圖8 前臂優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域

在Hypermesh軟件中創(chuàng)建前臂有限元模型，如圖9所示。為獲得較高的計(jì)算精度，實(shí)體單元采用六面體網(wǎng)格。為方便施加載荷，模型中前臂與其它部件連接處創(chuàng)建剛性單元rbe2[10]。同時(shí)，前臂有限元模型已定義材料屬性。

圖9 前臂基結(jié)構(gòu)有限元模型

在模型上施加載荷和約束，創(chuàng)建載荷步。同時(shí)設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量、響應(yīng)、約束條件及目標(biāo)函數(shù)等優(yōu)化參數(shù)[11]。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及三維模型的重建

在optistruct軟件中對(duì)前臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化迭代計(jì)算，前臂體積與迭代次數(shù)的變化關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 前臂體積與迭代次數(shù)變化關(guān)系曲線

分析圖10可知，本次優(yōu)化經(jīng)過30次迭代后計(jì)算收斂，每進(jìn)行一次迭代計(jì)算，前臂體積均有所減小，且前8次變化劇烈，從第9次到第30次迭代，前臂體積變化比較平緩。最終，前臂體積由1.6×107mm3減小至2.5×106mm3，體積降幅達(dá)84.38%，優(yōu)化效果明顯。

圖11為求解計(jì)算后前臂拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖，由圖可知，前臂上板和腹板的厚度變大，前臂兩側(cè)板中減重孔形狀和分布得到優(yōu)化，并在前臂內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋板。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果反映出前臂的最佳傳力路徑和前臂材料的最佳分布。

圖11 前臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

采用Ossmooth工具，將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以IGES格式的三維模型輸出[12]，在此基礎(chǔ)上對(duì)前臂模型進(jìn)行修改，使前臂結(jié)構(gòu)易于加工制造，修改后得到前臂優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案如圖12所示。

圖12 前臂優(yōu)化方案

與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比，前臂上板和腹板的厚度由8mm變?yōu)?3mm；前臂兩側(cè)板由加強(qiáng)筋板替代，減重孔的形狀和分布得到優(yōu)化；優(yōu)化后前臂內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋；優(yōu)化后前臂質(zhì)量為37.5kg，相比優(yōu)化前質(zhì)量46kg，實(shí)現(xiàn)減重18.4%。

3.3 分析驗(yàn)證

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案中，前臂上板、腹板厚度變大，減重孔的形狀和分布得到優(yōu)化，且內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋。為驗(yàn)證優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案的合理性對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到優(yōu)化后前臂應(yīng)力云圖及位移云圖如圖13、圖14所示，并將優(yōu)化前后的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

圖13 優(yōu)化后前臂應(yīng)力云圖

圖14 優(yōu)化后前臂位移云圖

表2 前臂優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化前后結(jié)果分析，可以獲得以下結(jié)論：

①分析圖13可知，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案應(yīng)力集中主要發(fā)生在前臂和后臂連接處，最大應(yīng)力值為20.7MPa，與優(yōu)化前21.5MPa相比減小了3.7%，但其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁鎂合金的屈服強(qiáng)度195MPa，所以優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

②分析圖14可知，新設(shè)計(jì)方案最大位移出現(xiàn)在前臂與腕部連接部分，最大位移值為0.252mm，與優(yōu)化前0.325mm相比減小了22.5%，滿足機(jī)器人作業(yè)精度要求且提高了控制精度。

③與原設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案最大應(yīng)力、位移均有所減??；在強(qiáng)度、剛度滿足使用要求的前提下，前臂重量減少18.4%，更好地實(shí)現(xiàn)了輕量化，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)論

本文以棉桶更換機(jī)器人的前臂為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完成前臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證。

(1)采用SolidWorks對(duì)前臂進(jìn)行建模，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)前臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明前臂最大應(yīng)力值為21.5MPa，其值遠(yuǎn)小于鋁鎂合金的屈服強(qiáng)度195MPa，前臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，最大位移值為0.325mm，滿足棉桶搬運(yùn)更換作業(yè)精度要求。

(2)為獲得更小的前臂質(zhì)量，以靜力學(xué)分析結(jié)果作為拓?fù)鋬?yōu)化的理論依據(jù)，運(yùn)用optistruct軟件對(duì)前臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)前臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的前臂重量減少18.4%，實(shí)現(xiàn)了輕量化，優(yōu)化效果明顯。

(3)為驗(yàn)證優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案最大應(yīng)力值為20.7MPa、最大位移值為0.252mm，與優(yōu)化前相比均有所減小，其強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)要求且富余量很大。

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(編輯 李秀敏)

The Finite Element Anslysis and Topological Optimization Design for Cotton Barrel Replacement Robot’s Forearm

SHAN Ming-zhi1,YANG Qian-ming1,SHAO Chang-xin2,LIU Qi-qiang2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590,China;2.Qingdao Dongchang Textile Machine Manufacturing Co., Ltd., Qingdao Shandong 266540, China)

4-axis robot design lightweight is the key due to the composite robot is limited by AGV carrying capacity, the power consumption of lithium battery and self-weight design. The forearm is one of the key parts of the cotton barrel replacement robot. The three-dimensional model of the Robot forearm has been established taking into account the overall design to meet the premise robot strength and stiffness, and taking the lightweight of forearm structure as the primary design considerations in this paper taking the forearm as the research object. The forearm statics analysis has been finished using the finite element software of ANSYS the characteristics of stress and displacement change under dangerous conditions also been obtained; The topology optimization of forearm has been carried out by optistruct and the improved design of the structure of the forearm has been achieved according to the topology optimization results the static analysis of the optimized model also been made. Research results show that the maximum stress and displacement of the optimized design scheme have been reduced; The weight of the forearm has been decreased by 18.4% and better to achieve the light weight goal of the forearm under the condition of meeting the design requirement of strength and stiffness. This study provided technical support for the follow-up product development of the subject and also provided a reference for design of similar technology products.

cotton barrel replacement; robot; ANSYS; finite element analysis; topology optimization

1001-2265(2017)08-0025-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.006

2016-10-06

青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目(QDKJX-201305-066)

單銘志(1990—)，男，山東棗莊人，山東科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，(E-mail)smz9733@163.com；通訊作者：楊前明(1960—)，男，江蘇如皋人，山東科技大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制，(E-mail)yqm8396@163.com。

TH165;TG659

A