基于ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

霍洪鵬+侯曉坤+姜軍生+宋健+解福祥

摘 要：利用仿真軟件ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)功能，將末端三維模型導(dǎo)入ANSYS中，通過(guò)網(wǎng)格劃分，邊界條件界定，模擬受力環(huán)境等一系列操作后，根據(jù)ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊的計(jì)算分析。再根據(jù)色差顯現(xiàn)零件保留與移除部分，對(duì)零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)調(diào)整。重復(fù)優(yōu)化和調(diào)整后達(dá)到才材料的利用率，節(jié)約財(cái)力物力，也提高了設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化；模型導(dǎo)入；網(wǎng)格劃分；計(jì)算分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.117

1 引言

目前我國(guó)的設(shè)計(jì)水平仍有較大的提升空間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低5%～35%的造價(jià)[1]。早期的設(shè)計(jì)制造需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力。隨著各類(lèi)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)，為機(jī)械及其他的設(shè)計(jì)行業(yè)提供了便捷有效的工具。為了解決以上問(wèn)題，本文針對(duì)用于加工機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用三維建模軟件Solidworks建立整機(jī)模型，然后運(yùn)用仿真軟件ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化功能，對(duì)零部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，改善機(jī)器人的末端結(jié)構(gòu)，對(duì)節(jié)約設(shè)計(jì)的時(shí)間、提高材料的利用效率等的具有重要意義。

2 結(jié)構(gòu)模型

先通過(guò)Solidworks三維建模功能，根據(jù)機(jī)器人基本組成：機(jī)座、腰座、大/小臂、末端等基本組成，初建機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)外形如上圖所示。

從末端的三維圖可以看出外形結(jié)構(gòu)并不精簡(jiǎn)，需要去除些材料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

3 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件是省去材料的百分比V。目標(biāo)函數(shù)是結(jié)構(gòu)的變形能，其實(shí)拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，實(shí)質(zhì)是尋找結(jié)構(gòu)的力傳遞途徑，按照途徑分配材料，提高了材料的利用率，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力情況，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求[3-5]。

目標(biāo)函數(shù)：

其中：結(jié)構(gòu)的變形能

約束條件：

其中：，，，。

4 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同，拓?fù)鋬?yōu)化簡(jiǎn)單便捷在于它不需要用戶(hù)定義優(yōu)化變量，設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)等，這些分析計(jì)算設(shè)定都是程序預(yù)先定義好的，我們只需要將所要分析的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)變成“x-t”格式，導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)定材料特性參數(shù)，位移約束，所受載荷約束等。[6]系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的根據(jù)默認(rèn)算法得出優(yōu)化結(jié)果。

首先優(yōu)化機(jī)器人的末端結(jié)構(gòu)。給定材料的特性參數(shù)，末端選材為鋁合金，其密度低，但強(qiáng)度比較高，最低的拉伸強(qiáng)度175mpa，屈服強(qiáng)度195mpa，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材。

4.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分可分為：自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格及混合網(wǎng)格等。自由網(wǎng)格對(duì)單元體形狀沒(méi)有特定形狀限制；但是映射網(wǎng)格劃分必須是規(guī)則的體或面。雖然一般情況下映射網(wǎng)格劃分比自由網(wǎng)格劃分的出的結(jié)果要精確，但是由于體型的限制，采用自由網(wǎng)格劃分。設(shè)定relevance center為medium，smoothing為medium，transition設(shè)為slow，span angle center設(shè)為medium。網(wǎng)格劃分結(jié)果如下：

4.2 施加約束條件

機(jī)器人的大小臂力整力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)串聯(lián)混合機(jī)構(gòu)。且由于此結(jié)構(gòu)為兩組平行四邊形組成，其中主平行四邊形確定末端點(diǎn)位置，輔助平行四邊形使末端執(zhí)行器與水平面保持一個(gè)固定的姿態(tài)。末端在空間內(nèi)只發(fā)生三個(gè)向的平移運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由此可以簡(jiǎn)化末端于拉桿及小臂的連接處可用固定約束來(lái)代替。另外在中心孔旁凹面處施加100pa的壓強(qiáng)代替末端在承載重量時(shí)的受力環(huán)境。所得受力分布云圖與整體變形圖如下：

由圖可知整體所承受應(yīng)力最大達(dá)424pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料可承受應(yīng)力。利用ANSYS對(duì)末端進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化如下圖：

上圖中紅色顯示的為可移除材料，未改變的為保留材料?？梢郧逦目闯瞿┒藘蓚?cè)耳和下面端口有大面積的可移除材料。

根據(jù)仿真結(jié)果，合理的去除紅色材料后，對(duì)零件重新做了靜力學(xué)仿真，受力云圖分布和整體變形如下圖所示：

由彩色云圖顯示的末端受力時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分布情況，形象清楚的可以看出，末端在工作時(shí)承受的最大應(yīng)力和發(fā)生的最大變形。

經(jīng)優(yōu)化前后對(duì)比，優(yōu)化后對(duì)材料無(wú)論是在性能上還是在質(zhì)量上的利用率都提高很多了。質(zhì)量和體積都減少了將近8%。降低了加工難度，節(jié)約加工時(shí)間。

但是，所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料性能承受應(yīng)力的最小值，并且變形量很小，不影響完成工作的性能要求。所以為達(dá)到材料利用率預(yù)期理想設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，從而達(dá)到理想的要求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)流程：零件導(dǎo)入ANSYS，性能仿真開(kāi)始到拓?fù)鋬?yōu)化與材料性能比較判斷合格與否，若合格則結(jié)束優(yōu)化；若不合格則調(diào)整結(jié)構(gòu)后重新新拓?fù)鋬?yōu)化，然后再進(jìn)行比較。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)加工機(jī)器人依次做了結(jié)構(gòu)分析，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS仿真軟件對(duì)末端結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，應(yīng)變圖得出末端材料利用率比較低，再對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，再根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化。重復(fù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的調(diào)整過(guò)程，最后可接近達(dá)到最大限度省時(shí)節(jié)約材料的目的。

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山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃＼（2011GGX10226），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51505337），山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J17KA150）

作者簡(jiǎn)介：霍洪鵬（1991-），女，山東人，碩士研究生，研究方向：機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真。