基于注塑机械手臂的静力分析与拓扑优化

张雄

摘 要：注塑机器人是使用SolidWorks建模的，ANSYS有限元分析软件用于对机器人最危险的工作条件进行静态分析，并获得其位移应力变化特征。在此基础上，优化了机器人模型拓扑结构，根据刚度和强度要求，优化了机器人基座结构和主臂梁结构。经过优化设计，机器人的重量减少了30%，生产成本降低了结果表明，已针对拓扑进行优化的操纵器的静态特性与拓扑前面的特性相比变化不大，并且满足要求。因此，本文为机器人结构优化设计提出了可行的优化方法，提高了生产率，降低了成本，缩短了产品开发周期。

关键词：机械手;有限元分析;静力分析;拓扑优化

前言

现代注塑机经常配备机器人，以提高生产效率，稳定产品质量，降低废物率。机器人可以在注塑生产中执行多个过程。目前，国内注塑行业常用的机器人是快速捕获模具产品并将其转移到下一个过程中。这种机械手一般还附带有向模腔自动喷酒脱模剂功能。随着技术的发展，越来越多的机器人将被用于供料、搅拌、自动模具处理、废物回收等过程中并且会向智能的方向发展。任何产品的设计都需要根据设计要求选择合理的解决方案，确定实现最佳设计目标的参数，最重要的是解决结构布局问题。结构布局包括拓扑、形状和大小信息，而优化大小、形状和拓扑反映了结构优化中三个不同级别的问题。目前，尺寸优化理论和应用比较成熟，形状优化理论已基本确立，主要是为了解决实际应用问题。结构拓扑优化由于其理论和计算复杂性，已成为结构优化设计领域研究的热点之一。

1.结构设计

通过删除对分析模型的有限元没有重大影响的非重要部分（例如盖子、圆柱体、缓冲区、定位块等），简化门至门的伪部分。车门至假部分通过发动机底板连接到水平方形，用螺栓连接到两个控制台，然后用密封板固定。为了加强控制台结构，设计了两个光源条作为辅助支架，以确保控制台的刚性。

对于设计结构的网格分割，梁到梁结构包含复杂的部分，并且在将三维CAD模型文件转换为格式时可能会出现捕捉错误。因此，如果导入的模型未进行几何清理，网格质量可能会受到严重影响，计算精度可能会受到影响，甚至无法求解。「几何图形清理」可让您检查并修复模型、检查并修复问题，例如冗馀曲面、隐藏边、冗馀节点等。清除模型几何后，可以网格化每个组件。本文研究的门式结构的所有构件均具有规则形状，分为二维单元和指定厚度值。该模型包含39 857个二维网格节点和40 594个四边形单元。

对控制台进行静态分析时，零件变形仅具有弹性。本文用于控制台的材料主要有两种：控制台采用6063铝合金，电机固定座和杆固定座采用Q235普通碳钢。

2.注塑机械手建模及动力分析

由于注塑机器人是一个复杂的结构，因此需要简化某些子元件以减小模型的大小。箱盖、线路支撑板、气缸、减振器等。，则它们对动态模型分析的影响较小且被忽略，并且仅会将它们的质量转换到适当的位置。机械手臂模型主要由以下部分组成：底座、主臂、箱体、副臂（2件）、有限臂（前主臂-臂、前次臂-臂）、材料头臂（后主臂-臂、后次臂-臂）。根据操纵器的特点，主臂梁采用具有拓扑优化功能的Solid92单元，其bec结构采用8节点6侧Solid45单元类型。目前，这款注塑机主要是在工程静态分析的基础上设计的。根据机器人的设计规范，在机器人的前臂、末端施加100N的垂直向下力，以模拟当它输入10kg的重量时机器人的工作状态。考虑到臂各部分的严重性，发现机械手臂副梁的前端-臂和前端节点的最大位移为1 mm，机械手臂副梁连接到基座的节点处的最大应力值为现代机器发展速度快，重量轻，能耗低，性能高。预期在产品的设计、制造、安装、开发和使用过程中，将充分保证产品的动态性。为了保证原型的良好性能，原型振动模态分析已成为新产品开发中的重要和不可或缺的一步。

根据该类机器人的实际工作情况，在前臂副臂的下端应用垂直向下幅度为100N的正弦激励，频率范围为0 ～ 300hz。扫掠频率分析表明，前臂的x、y和z自由度的值随频率而变化。当外部负载频率约为20Hz时，接近机器人的前两个自然频率时，三个方向的动态位移会达到峰值。热点（机器人手臂的下部和后部）的移动为15.5 mm，因此当系统在机器人运行期间以约20Hz的频率充电时，机器人手臂的振动过大，导致机器人手指捕捉物体时定位不正确，或者输入的物体与周围物体碰撞，这导致了垃圾。因此，机器人设计的关键问题是如何有效地抑制工作过程中的振动。

3.机械手的拓扑优化

3.1拓扑优化原理

拓扑优化是指形状优化，也称为形状优化。其主要思想是将结构的最优拓扑研究转化为指定设计区域中材料的最优分布，拓扑优化的目的是找到最佳的材料分布解决方案，从而减少结构变形能量，这相当于增加结构刚度。为此，您可以使用设计变量为每个有限元指定伪内部密度，就像最大刚度设计一样。目前，连续拓扑优化使用多种方法，例如变密度方法、变厚度方法和等化方法。ANSYS拓扑优化使用基于可变密度的优化方法。变密度法的基本思想是引入相对密度在0到1之间的假设变形材料，而不是微观结构，直接假定设计材料的宏观弹性常数与其密度μ之间存在非线性关系。

3.2机械手基座和横梁的拓扑优化

与传统的优化设计不同，ANSYSWorbench中的拓扑优化不需要设置优化参数或变量。目标特征、状态变量和设计变量是预定义的，但结构参数（材质、模型、载荷等）除外，并给出优化百分比。可以根据经验选择优化百分比。对于这个机器人模型，优化目标是减少30%的重量。拓扑优化的整个过程是从机械臂和机器人底部移除一些不影响系统强度和刚度的材料，然后执行迭代静态分析，直到达到优化百分比并获得拓扑云。从拓朴云移除可分离材料、重新定义自动机制模型、从模型的基础和梁中移除拓朴云的可移除部分，并最佳化模型。

对最大位移为3.72mm、最大应力为31.3MPa的优化模型进行静态分析。结果表明，如果仅考虑静态力，则机器人拓扑优化模型的静态特性在优化之前与模型非常接近，且变化不大，而机器人模型的重量已减小在实际生产中，如果力和刚度足够，则可以根据实际情况增加优化百分比，但不能盲目提高优化百分比，因为机器人模型的拓扑优化仅在静态条件下考虑。如果优化尺度过高，机器人过轻，会严重削弱机器人系统的动态特性，降低机器人系统固有频率，增加机器人运动臂的幅度，降低机器人的捕捉精度。

结束语

综上所述，为机器人开发了有限元模型，使用ANSYS软件对机器人进行了静态分析，分析结果为优化机器人的结构拓扑结构提供了理论基础。优化机器人基座和主臂梁关键构件的拓扑结构，同时满足手臂强度和刚度的一般要求，将超出主臂梁基座和副梁材料，以改善手臂質量分布，降低手臂生产成本。这是优化机器人结构的可行方法，大大缩短了机器人的设计周期，并为其他机械产品的设计、制造和结构优化提供了重要指导。

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