王永麗

[摘 ? ?要]隨著現(xiàn)在軟件技術(shù)的發(fā)展，三維建模、仿真軟件越來越普及化，SolidWorks軟件由其界面操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大被機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)廣泛應(yīng)用，采用SolidWorks軟件對(duì)某工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用SolidWorks simulation軟件對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行靜力學(xué)、模態(tài)仿真分析，幾何清理和網(wǎng)格劃分，通過計(jì)算，設(shè)計(jì)出較合理的肘關(guān)節(jié)減速機(jī)傳動(dòng)齒輪;達(dá)到了工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂高精度柔性運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂高強(qiáng)度、剛度、最小安全系數(shù)和減小應(yīng)力集中的效果，解決了工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]SolidWorks;工業(yè)機(jī)器人;機(jī)械臂; 仿真分析; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]V279 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–0–03

[Abstract]With the development of software technology， three-dimensional modeling and simulation software are becoming more and more popular. SolidWorks software is widely used in mechanical design industry because of its simple interface operation and powerful function. SolidWorks software is used to optimize the topology of the three-dimensional model structure of an industrial robot manipulator， and SolidWorks simulation software is used to optimize the statics and dynamics of the manipulator Through modal simulation analysis， geometric cleaning and mesh generation， a more reasonable transmission gear of elbow reducer is designed through calculation; It achieves the effect of high-precision flexible motion， high strength， stiffness， minimum safety factor and reducing stress concentration of industrial robot manipulator， and solves the optimization design of industrial robot manipulator.

[Keywords]SolidWorks; industrial robot; robot arm; simulation analysis; optimal design

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手臂由三部分組成，分別是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分。就機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人的主要承載和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)和計(jì)算每個(gè)零件的強(qiáng)度、承載能力是整個(gè)機(jī)構(gòu)的核心，機(jī)械臂每個(gè)肘關(guān)節(jié)機(jī)械傳動(dòng)方式、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式必須達(dá)到理想的精度，要驗(yàn)算機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)功率和計(jì)算負(fù)載的重量，各運(yùn)動(dòng)路徑的慣量計(jì)算，位姿的控制計(jì)算，才能使工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行工作中確保萬無一失。在多自由度機(jī)械臂程序設(shè)計(jì)中，其工作方式主要通過沿著X、Y、Z軸上做線性運(yùn)動(dòng)，其中沿X軸平移，沿Y軸平移，沿Z軸平移和繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到目標(biāo)位置。自由度是整個(gè)機(jī)械臂執(zhí)行工作的決定因素，為了提高機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部和肘關(guān)節(jié)的部分重量，要合理選擇零部件的材料，機(jī)械臂部設(shè)計(jì)輕量化，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，必要連接部分必須采用高強(qiáng)度熱處理合金鋼材料，同時(shí)對(duì)所選零部件進(jìn)行受力分析，以達(dá)到最優(yōu)選型。

1 機(jī)械臂柔性體動(dòng)力學(xué)對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的影響

1.1 機(jī)械臂彈性變形

取機(jī)械臂關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，進(jìn)行彈性形變測(cè)試，機(jī)械臂關(guān)節(jié)變形工作是在傳動(dòng)件配合完成的，關(guān)節(jié)中的彈性變形是以改變?cè)娱g的距離來實(shí)現(xiàn)的，外力與彈性變形之間的關(guān)系由胡克定律可得知，σi=Cε，即變形與外力的大小成正比，比例常數(shù)C為彈性模量，它反映的是金屬材料抵抗彈性變形的能力，考慮到機(jī)械臂末端手腕關(guān)節(jié)柔性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響較小，由此可忽略手腕關(guān)節(jié)，只考慮機(jī)械臂的大擺臂關(guān)節(jié)、小擺臂關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)。

1.2 機(jī)械臂固有頻率影響因素分析

對(duì)于機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，主要分大擺臂、小擺臂、肘關(guān)節(jié)幾個(gè)重要連接部件。肘關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，經(jīng)較大減速比傳動(dòng)后再驅(qū)動(dòng)大擺臂和小擺臂及負(fù)載繞關(guān)節(jié)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，由此會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，為了降低諧振，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)諧振頻率應(yīng)當(dāng)控制在伺服系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的4～5倍，以避免機(jī)械臂整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，不同關(guān)節(jié)剛度對(duì)不同階段機(jī)械臂固有頻率影響各不相同，各傳動(dòng)軸帶動(dòng)的負(fù)載不同，總體是大擺臂關(guān)節(jié)影響機(jī)械臂末端上下振動(dòng)頻率;肘關(guān)節(jié)影響肘部彎曲振動(dòng)頻率，這表明基于柔性多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到不同關(guān)節(jié)剛度。

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方式

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型分析

圖1為某機(jī)械臂SolidWorks三維建模模型，整個(gè)機(jī)械臂是通過大機(jī)座固定于某一工作臺(tái)面，大機(jī)座上承載整個(gè)柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，所以材料不能有應(yīng)變和斷裂現(xiàn)象，一般選擇經(jīng)過熱處理的優(yōu)質(zhì)合金鋼，大擺臂和小擺臂由于是運(yùn)動(dòng)部件，且機(jī)械臂需要有良好的受控性，因此選型材料不能太過笨重，則采用優(yōu)質(zhì)輕型高強(qiáng)度鋁材料即可，其目的是減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后通過有限元分析大機(jī)座受力情況。

2.2 具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

取機(jī)械臂大擺臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)機(jī)械臂大擺臂要根據(jù)結(jié)構(gòu)造型和選擇材料進(jìn)行最少化和優(yōu)化考慮，采用以高強(qiáng)度7075鋁替代鋼或鑄鐵材料，選用高強(qiáng)度鋁材料后一般將大擺臂末端固定端壁厚加厚，中間部分掏空，四周拉起加強(qiáng)筋，最中心位置再加一橫筋，使整個(gè)大擺臂撐起抵抗扭轉(zhuǎn)變形的目的，使其強(qiáng)度完全滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，防止在機(jī)械臂工作過程中受力變形，經(jīng)過基于柔性多體動(dòng)力學(xué)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，機(jī)械臂重量下降 10%;優(yōu)化后的機(jī)械臂載重和自重比未經(jīng)過優(yōu)化的機(jī)械臂會(huì)提高0.42。

3 以六自由度工業(yè)機(jī)器人的大擺臂為研究對(duì)象

3.1 靜力學(xué)分析

在SolidWorks simulation軟件中打開新算例進(jìn)行靜力學(xué)分析。大擺臂材料設(shè)置為材料為7075合金，密度2.81 kg/cm3，彈性模量71 E/GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度455 MPa。如圖2將大擺臂底面綠色箭頭設(shè)為固定約束面，上面和側(cè)面紅色箭頭為施加力面，由分析結(jié)果可知，大擺臂的最大應(yīng)力為83.80 MPa，最小應(yīng)力為47.70 MPa，最大位移0.112 8 mm，最小安全系數(shù)為15.22，強(qiáng)度完全滿足要求;僅在零件的紅色區(qū)域彎角處，存在部分應(yīng)力集中。如圖2將大擺臂底面設(shè)為固定約束面和施加力面。

3.2 模態(tài)分析

在SolidWorks simulation中選擇新算例進(jìn)行模態(tài)分析，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3設(shè)置大擺臂底面綠色箭頭為固定約束面;上面和側(cè)面紅色箭頭為施加力面，在結(jié)果后處理階段設(shè)定好前6階模態(tài)的總變形，進(jìn)行模態(tài)分析。由分析結(jié)果可知，大臂結(jié)構(gòu)的最低頻率為1 111.1 Hz，比優(yōu)化前的大擺臂頻率高，動(dòng)態(tài)特性較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理。

3.3 肘關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分減速機(jī)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)

傳遞功率：1 ? ? 傳遞轉(zhuǎn)矩：9.549

齒輪1轉(zhuǎn)速n1：1000 ?齒輪2轉(zhuǎn)速n2：250 ? 傳動(dòng)比i：2

（2）齒輪精度

第Ⅰ組精度JD1：7 ? ?第Ⅱ組精度JD2：7

第Ⅲ組精度JD3：7 ? ?齒厚上偏差：F ? ? 齒厚下偏差：L

大肘關(guān)節(jié)和小肘關(guān)節(jié)減速機(jī)齒輪選取參數(shù)見表1。

4 結(jié)論

在對(duì)某型號(hào)工業(yè)機(jī)器人的大擺臂靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，由分析和設(shè)計(jì)結(jié)果得知大擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，只有彎角部分存在少量應(yīng)力集中的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減速機(jī)齒輪設(shè)計(jì)符合柔性機(jī)械臂自由度傳動(dòng)要求。通過對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后大擺臂的分析結(jié)果，優(yōu)化后大臂的結(jié)構(gòu)更加合理，其剛度、強(qiáng)度性能明顯增強(qiáng)，最小安全系數(shù)提高顯著，輕量化效果明顯，為機(jī)械臂的加工生產(chǎn)降低了成本。

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