基于SolidWorks軟件對工業(yè)機器人機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和受力、模態(tài)分析

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單、功能強大被機械設(shè)計行業(yè)廣泛應(yīng)用，采用SolidWorks軟件對某工業(yè)機器人機械臂的三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，采用SolidWorks simulation軟件對機械臂進(jìn)行靜力學(xué)、模態(tài)仿真分析，幾何清理和網(wǎng)格劃分，通過計算，設(shè)計出較合理的肘關(guān)節(jié)減速機傳動齒輪;達(dá)到了工業(yè)機器人機械臂高精度柔性運動，機械臂高強度、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)機器人機械臂的優(yōu)化設(shè)計。

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

[中圖分類號]V279 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]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)機器人機械手臂由三部分組成，分別是機械部分、傳感部分、控制部分。就機械結(jié)構(gòu)而言，機械臂是工業(yè)機器人的主要承載和執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計和計算每個零件的強度、承載能力是整個機構(gòu)的核心，機械臂每個肘關(guān)節(jié)機械傳動方式、電機驅(qū)動控制方式必須達(dá)到理想的精度，要驗算機械強度、驅(qū)動功率和計算負(fù)載的重量，各運動路徑的慣量計算，位姿的控制計算，才能使工業(yè)機器人在執(zhí)行工作中確保萬無一失。在多自由度機械臂程序設(shè)計中，其工作方式主要通過沿著X、Y、Z軸上做線性運動，其中沿X軸平移，沿Y軸平移，沿Z軸平移和繞X軸轉(zhuǎn)動，繞Y軸轉(zhuǎn)動，繞Z軸轉(zhuǎn)動，以達(dá)到目標(biāo)位置。自由度是整個機械臂執(zhí)行工作的決定因素，為了提高機械臂的運動速度，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，機械臂部設(shè)計輕量化，以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，必要連接部分必須采用高強度熱處理合金鋼材料，同時對所選零部件進(jìn)行受力分析，以達(dá)到最優(yōu)選型。

1 機械臂柔性體動力學(xué)對機械臂結(jié)構(gòu)的影響

1.1 機械臂彈性變形

取機械臂關(guān)節(jié)為研究對象，進(jìn)行彈性形變測試，機械臂關(guān)節(jié)變形工作是在傳動件配合完成的，關(guān)節(jié)中的彈性變形是以改變原子間的距離來實現(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，考慮到機械臂末端手腕關(guān)節(jié)柔性對動力學(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 機械臂固有頻率影響因素分析

對于機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，主要分大擺臂、小擺臂、肘關(guān)節(jié)幾個重要連接部件。肘關(guān)節(jié)由電機驅(qū)動減速器，經(jīng)較大減速比傳動后再驅(qū)動大擺臂和小擺臂及負(fù)載繞關(guān)節(jié)軸線轉(zhuǎn)動，由此會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，為了降低諧振，機械臂結(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，以避免機械臂整個系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，不同關(guān)節(jié)剛度對不同階段機械臂固有頻率影響各不相同，各傳動軸帶動的負(fù)載不同，總體是大擺臂關(guān)節(jié)影響機械臂末端上下振動頻率;肘關(guān)節(jié)影響肘部彎曲振動頻率，這表明基于柔性多體動力學(xué)進(jìn)行機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要考慮到不同關(guān)節(jié)剛度。

2 機械臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方式

2.1 優(yōu)化設(shè)計模型分析

圖1為某機械臂SolidWorks三維建模模型，整個機械臂是通過大機座固定于某一工作臺面，大機座上承載整個柔性機械臂的運動環(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動部件，且機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)輕型高強度鋁材料即可，其目的是減小轉(zhuǎn)動慣量，然后通過有限元分析大機座受力情況。

2.2 具體優(yōu)化設(shè)計方式

取機械臂大擺臂為研究對象，設(shè)計機械臂大擺臂要根據(jù)結(jié)構(gòu)造型和選擇材料進(jìn)行最少化和優(yōu)化考慮，采用以高強度7075鋁替代鋼或鑄鐵材料，選用高強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，四周拉起加強筋，最中心位置再加一橫筋，使整個大擺臂撐起抵抗扭轉(zhuǎn)變形的目的，使其強度完全滿足強度設(shè)計要求，防止在機械臂工作過程中受力變形，經(jīng)過基于柔性多體動力學(xué)機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，機械臂重量下降 10%;優(yōu)化后的機械臂載重和自重比未經(jīng)過優(yōu)化的機械臂會提高0.42。

3 以六自由度工業(yè)機器人的大擺臂為研究對象

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，動態(tài)特性較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理。

3.3 肘關(guān)節(jié)電機驅(qū)動部分減速機圓柱齒輪傳動設(shè)計

（1）設(shè)計參數(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)減速機齒輪選取參數(shù)見表1。

4 結(jié)論

在對某型號工業(yè)機器人的大擺臂靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，由分析和設(shè)計結(jié)果得知大擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理，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)化和減速機齒輪設(shè)計符合柔性機械臂自由度傳動要求。通過對比優(yōu)化設(shè)計前、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、強度性能明顯增強，最小安全系數(shù)提高顯著，輕量化效果明顯，為機械臂的加工生產(chǎn)降低了成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁明軒，李正剛，唐任仲，等.基于柔性多體動力學(xué)的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程，2017（21）：2562-2566.

[2] 劉宇佳.串聯(lián)機械臂柔性多體動力學(xué)性能研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[3] 任立敏，楊忠良，譚益松.多關(guān)節(jié)新型機械臂設(shè)計及其坐標(biāo)反饋系統(tǒng)研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2018（2）：34-39.

[4] 崔中，文桂林，姜潮.基于ADAMS柔性體的高速磨床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程，2009（5）：518-522.

[5] 林舒靜，鄭譽煌.基于SolidWorks的多關(guān)節(jié)機械臂設(shè)計分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（21）：37-1222.

[6] 韓德東，魏占國，邵忠喜.基于SolidWorks與有限元理論一種機械臂設(shè)計方法的研究[J].信息技術(shù)，2013，41（1）：85-88.

[7] 魏占國，劉晉浩.基于SolidWorks與有限元理論聯(lián)合采伐機機械臂的設(shè)計方法[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38（8）：111-114.

[8] 夏學(xué)文，李峰，郭小剛，等.基于SolidWorks的機械手三維建模及其運動仿真[J].煤礦機械，2010（10）：215-216.

[9] 陳進(jìn)平，鄭偉，姚海峰.基于SolidWorks軟件與VB編程的漸開線齒輪精確建模[J].科技廣場，2009（7）：108-110.

[10] 劉軍，李振軍.如何提高SolidWorks的裝配體性能[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006（12）：53-55.