工业机器人操作臂拓扑优化设计及性能分析

工业机器人操作臂拓扑优化设计及性能分析摘要：如今，工业机器人正朝着高精度和速度的方向发展。因此，工业机器人必须不断优化其机械结构，以满足工业机器人发展的需要，同时加强控制。机械手臂是一种移动组件，需要高静态和动态固有频率，以减少运行中的变形和振动，提高机器的运行精度。这也是优化设计的重点和难点。关键词：工业机器人；操作臂；拓扑优化引言数字智能制造是我国传统制造形态升级中不可或缺的趋势，构成未来作品核心的工业机器人将开辟新的增长机遇。工业机器人目前被广泛应用于汽车工业及工业机器人通常由机械结构体、核心控制装置、传感器和伺服驱动系统组成，构成每种功能的基础。随着工业机器人应用的增加和现代工业的出现，工业机器人的性能和成本要求也在增加。传统的基于经验的设计方法往往造成结构冗余质量大，进而导致产品成本居高不下，因此已越来越不能满足现代化工业的需求。拓扑优化设计方法不依赖于结构的初始构型和工程设计人员经验，可获得既定约束条件下的最优结构，结合3D打印技术即可精确地将设计思想转化为具备最优性能的实体零件。文中以某小型教育用工业机器人的操作臂为例，借助于拓扑优化设计方法对其开展轻量化设计，以实现其个性化、轻量化和低成本的设计要求，为工业机器人操作臂的设计提供指导。1结构分析流程1)2)。它非常适合于机械和电3以下步骤:(1)在极端操作条件下创建机器人的三维模型。(2)机器人手臂的静态和模态分析；(3)优化和重组多目标拓扑；(4)对机器人进行静态和模态分析，以确定是否满足要求(5)将优化后的武器分析结果与原始模型进行比较，并验证优化后的结构。图1 六自由度工业机器人图2 工业机器人机械臂图3 结构分析与拓扑优化流2机械臂材料轻量化材料一般化是简化机器人手臂的重要方法，2A122A127075-T6料在固体溶液加工后，在航空、航海和汽车等领域提供了较高的密度、较高的强度和较好的塑料。2A127075-T6117075-T62A122A12降低机器人手臂的质量，提高屈服强度。表12A12铝合金与7075-T6铝合金的性能对比机械臂拓扑优化大臂静力学及模态分析432.6kgANSYSWorkbench235)353.4MPa，3x、y63xzy3图4原大臂结构图5原大臂的静力学分析图6大臂振型云图拓扑优化过程为实现最优设计，拓扑优化设计时应尽量大地将可设计区域作为设计空间，3．82kg3mm3D30°位置、0°位置和－30°33D8mm；同时为保证支撑的去除和残余粉末的清理，结构不应含有封闭内腔，因此文中对操作臂的拓扑优化设置沿中面的对称约束及双向拔模约束。基于以上设置，以操作臂体积限制为约束条件，以最大应力作为非强制约束条件，以操作臂刚度最大化为设计目标，对其进行拓扑优化。其中体积约35％，1∶1∶1。多次迭代后得到优化后的结构形式，除临界单元密度为0．3的优化结果外，其余结果均连续均匀。根据质量要求选择临界单元密度为0．5的结果作为模型重构的基础。边界条件及载荷设置50.018mm，6.79MPa，355MPa，这主要是在较低的轴上，而其他零件的应力相对较小。众所周知，材料利用率不足，存在优化手臂拓扑优化的空间。大臂模型重构ABAQUSFEM35mm7mm增加肋并改进布局，减小侧面关节的外部厚度，在后嵌板上打开侧面嵌板，看到29.766kg。结束语为了满足现代工业机器人个性化、轻量化和低成本的要求，文中以某小型教育用工业机器人的操作臂为例，借助基于变密度法的拓扑优化设计方法对其开展了优化设计，实现了减重65．3％。对优化设计的操作臂结构，在各典型工况下开展了静强度分析和疲劳性能评估，根据分析结果，优化设计后的操作臂结构满足各项性能要求。文中采用的设计方法可以对其他同类型结构的优化设计提供参考。参考文献黄红捷.工业机械臂轻量化设计的研究[D].哈尔滨工业大学,2021.胡启国,胡艳敏.工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化[J].学学报(自然科学版),2020,39(09):146-152.胡启国,周松.考虑刚柔耦合的工业机器人多目标可靠性拓扑优化[J].算机集