張雄

摘 要：注塑機器人是使用SolidWorks建模的，ANSYS有限元分析軟件用于對機器人最危險的工作條件進行靜態(tài)分析，并獲得其位移應(yīng)力變化特征。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了機器人模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)剛度和強度要求，優(yōu)化了機器人基座結(jié)構(gòu)和主臂梁結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，機器人的重量減少了30%，生產(chǎn)成本降低了結(jié)果表明，已針對拓?fù)溥M行優(yōu)化的操縱器的靜態(tài)特性與拓?fù)淝懊娴奶匦韵啾茸兓淮?，并且滿足要求。因此，本文為機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了可行的優(yōu)化方法，提高了生產(chǎn)率，降低了成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：機械手;有限元分析;靜力分析;拓?fù)鋬?yōu)化

前言

現(xiàn)代注塑機經(jīng)常配備機器人，以提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢物率。機器人可以在注塑生產(chǎn)中執(zhí)行多個過程。目前，國內(nèi)注塑行業(yè)常用的機器人是快速捕獲模具產(chǎn)品并將其轉(zhuǎn)移到下一個過程中。這種機械手一般還附帶有向模腔自動噴酒脫模劑功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機器人將被用于供料、攪拌、自動模具處理、廢物回收等過程中并且會向智能的方向發(fā)展。任何產(chǎn)品的設(shè)計都需要根據(jù)設(shè)計要求選擇合理的解決方案，確定實現(xiàn)最佳設(shè)計目標(biāo)的參數(shù)，最重要的是解決結(jié)構(gòu)布局問題。結(jié)構(gòu)布局包括拓?fù)洹⑿螤詈痛笮⌒畔?，而?yōu)化大小、形狀和拓?fù)浞从沉私Y(jié)構(gòu)優(yōu)化中三個不同級別的問題。目前，尺寸優(yōu)化理論和應(yīng)用比較成熟，形狀優(yōu)化理論已基本確立，主要是為了解決實際應(yīng)用問題。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化由于其理論和計算復(fù)雜性，已成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域研究的熱點之一。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過刪除對分析模型的有限元沒有重大影響的非重要部分（例如蓋子、圓柱體、緩沖區(qū)、定位塊等），簡化門至門的偽部分。車門至假部分通過發(fā)動機底板連接到水平方形，用螺栓連接到兩個控制臺，然后用密封板固定。為了加強控制臺結(jié)構(gòu)，設(shè)計了兩個光源條作為輔助支架，以確保控制臺的剛性。

對于設(shè)計結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分割，梁到梁結(jié)構(gòu)包含復(fù)雜的部分，并且在將三維CAD模型文件轉(zhuǎn)換為格式時可能會出現(xiàn)捕捉錯誤。因此，如果導(dǎo)入的模型未進行幾何清理，網(wǎng)格質(zhì)量可能會受到嚴(yán)重影響，計算精度可能會受到影響，甚至無法求解?！笌缀螆D形清理」可讓您檢查并修復(fù)模型、檢查并修復(fù)問題，例如冗馀曲面、隱藏邊、冗馀節(jié)點等。清除模型幾何后，可以網(wǎng)格化每個組件。本文研究的門式結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件均具有規(guī)則形狀，分為二維單元和指定厚度值。該模型包含39 857個二維網(wǎng)格節(jié)點和40 594個四邊形單元。

對控制臺進行靜態(tài)分析時，零件變形僅具有彈性。本文用于控制臺的材料主要有兩種：控制臺采用6063鋁合金，電機固定座和桿固定座采用Q235普通碳鋼。

2.注塑機械手建模及動力分析

由于注塑機器人是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此需要簡化某些子元件以減小模型的大小。箱蓋、線路支撐板、氣缸、減振器等。，則它們對動態(tài)模型分析的影響較小且被忽略，并且僅會將它們的質(zhì)量轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)奈恢?。機械手臂模型主要由以下部分組成：底座、主臂、箱體、副臂（2件）、有限臂（前主臂-臂、前次臂-臂）、材料頭臂（后主臂-臂、后次臂-臂）。根據(jù)操縱器的特點，主臂梁采用具有拓?fù)鋬?yōu)化功能的Solid92單元，其bec結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點6側(cè)Solid45單元類型。目前，這款注塑機主要是在工程靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上設(shè)計的。根據(jù)機器人的設(shè)計規(guī)范，在機器人的前臂、末端施加100N的垂直向下力，以模擬當(dāng)它輸入10kg的重量時機器人的工作狀態(tài)?？紤]到臂各部分的嚴(yán)重性，發(fā)現(xiàn)機械手臂副梁的前端-臂和前端節(jié)點的最大位移為1 mm，機械手臂副梁連接到基座的節(jié)點處的最大應(yīng)力值為現(xiàn)代機器發(fā)展速度快，重量輕，能耗低，性能高。預(yù)期在產(chǎn)品的設(shè)計、制造、安裝、開發(fā)和使用過程中，將充分保證產(chǎn)品的動態(tài)性。為了保證原型的良好性能，原型振動模態(tài)分析已成為新產(chǎn)品開發(fā)中的重要和不可或缺的一步。

根據(jù)該類機器人的實際工作情況，在前臂副臂的下端應(yīng)用垂直向下幅度為100N的正弦激勵，頻率范圍為0 ～ 300hz。掃掠頻率分析表明，前臂的x、y和z自由度的值隨頻率而變化。當(dāng)外部負(fù)載頻率約為20Hz時，接近機器人的前兩個自然頻率時，三個方向的動態(tài)位移會達到峰值。熱點（機器人手臂的下部和后部）的移動為15.5 mm，因此當(dāng)系統(tǒng)在機器人運行期間以約20Hz的頻率充電時，機器人手臂的振動過大，導(dǎo)致機器人手指捕捉物體時定位不正確，或者輸入的物體與周圍物體碰撞，這導(dǎo)致了垃圾。因此，機器人設(shè)計的關(guān)鍵問題是如何有效地抑制工作過程中的振動。

3.機械手的拓?fù)鋬?yōu)化

3.1拓?fù)鋬?yōu)化原理

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，也稱為形狀優(yōu)化。其主要思想是將結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)溲芯哭D(zhuǎn)化為指定設(shè)計區(qū)域中材料的最優(yōu)分布，拓?fù)鋬?yōu)化的目的是找到最佳的材料分布解決方案，從而減少結(jié)構(gòu)變形能量，這相當(dāng)于增加結(jié)構(gòu)剛度。為此，您可以使用設(shè)計變量為每個有限元指定偽內(nèi)部密度，就像最大剛度設(shè)計一樣。目前，連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化使用多種方法，例如變密度方法、變厚度方法和等化方法。ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化使用基于可變密度的優(yōu)化方法。變密度法的基本思想是引入相對密度在0到1之間的假設(shè)變形材料，而不是微觀結(jié)構(gòu)，直接假定設(shè)計材料的宏觀彈性常數(shù)與其密度μ之間存在非線性關(guān)系。

3.2機械手基座和橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化

與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同，ANSYSWorbench中的拓?fù)鋬?yōu)化不需要設(shè)置優(yōu)化參數(shù)或變量。目標(biāo)特征、狀態(tài)變量和設(shè)計變量是預(yù)定義的，但結(jié)構(gòu)參數(shù)（材質(zhì)、模型、載荷等）除外，并給出優(yōu)化百分比?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗選擇優(yōu)化百分比。對于這個機器人模型，優(yōu)化目標(biāo)是減少30%的重量。拓?fù)鋬?yōu)化的整個過程是從機械臂和機器人底部移除一些不影響系統(tǒng)強度和剛度的材料，然后執(zhí)行迭代靜態(tài)分析，直到達到優(yōu)化百分比并獲得拓?fù)湓啤耐貥阍埔瞥煞蛛x材料、重新定義自動機制模型、從模型的基礎(chǔ)和梁中移除拓樸云的可移除部分，并最佳化模型。

對最大位移為3.72mm、最大應(yīng)力為31.3MPa的優(yōu)化模型進行靜態(tài)分析。結(jié)果表明，如果僅考慮靜態(tài)力，則機器人拓?fù)鋬?yōu)化模型的靜態(tài)特性在優(yōu)化之前與模型非常接近，且變化不大，而機器人模型的重量已減小在實際生產(chǎn)中，如果力和剛度足夠，則可以根據(jù)實際情況增加優(yōu)化百分比，但不能盲目提高優(yōu)化百分比，因為機器人模型的拓?fù)鋬?yōu)化僅在靜態(tài)條件下考慮。如果優(yōu)化尺度過高，機器人過輕，會嚴(yán)重削弱機器人系統(tǒng)的動態(tài)特性，降低機器人系統(tǒng)固有頻率，增加機器人運動臂的幅度，降低機器人的捕捉精度。

結(jié)束語

綜上所述，為機器人開發(fā)了有限元模型，使用ANSYS軟件對機器人進行了靜態(tài)分析，分析結(jié)果為優(yōu)化機器人的結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。優(yōu)化機器人基座和主臂梁關(guān)鍵構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時滿足手臂強度和剛度的一般要求，將超出主臂梁基座和副梁材料，以改善手臂質(zhì)量分布，降低手臂生產(chǎn)成本。這是優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)的可行方法，大大縮短了機器人的設(shè)計周期，并為其他機械產(chǎn)品的設(shè)計、制造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。

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