工業(yè)機器人機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鐘文濤

廣東智源機器人科技有限公司 廣東佛山 528000

工業(yè)機器人在近幾年來的發(fā)展過程中，不斷追求高精度、高質(zhì)量以及高效率，這也是今后工業(yè)機器人發(fā)展的長久方向和過程。這樣的方向不僅對工業(yè)機器人的智能化控制水平提出更高的要求，也讓工業(yè)機械人的結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)化。本文在對工業(yè)機器人機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，對研究對象進行選擇，對優(yōu)化手段和計算方式進行研究，確保研究結(jié)果的真實性和有效性。

1 工業(yè)機器人機械臂優(yōu)化

1.1 工業(yè)機器人優(yōu)化對象的選擇

在研究的過程中，本文主要是對工業(yè)機械臂ZYR20進行優(yōu)化，ZYR20機械臂主要指機器人末端的額定負(fù)載能力是20kg，控制的系統(tǒng)主要是開放性平臺的六自由度關(guān)節(jié)型的工業(yè)機器人。這類的工業(yè)機器人自身重230kg，工作中使用的電功率為3.5KW，在實際生產(chǎn)工作中最大的運動半徑在1850mm的范圍內(nèi)。在對工業(yè)機器人的某一個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，需要保證結(jié)構(gòu)強度不斷，降低位移和應(yīng)力，減輕工業(yè)機器人的質(zhì)量，從而不斷提升工業(yè)機器人的安全系數(shù)。在本文研究的工業(yè)機器人中主要存在兩個機械臂的結(jié)構(gòu)問題，主要是與底座相連的工業(yè)大臂和上端的工業(yè)小臂，小臂結(jié)構(gòu)占據(jù)的體積面積較小，基本都在空中進行工作，并且在結(jié)構(gòu)安裝的過程中，需要大量的螺栓進行連接，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工作量較大，對小臂進行優(yōu)化的意義不是十分重要。工業(yè)機器人大臂結(jié)構(gòu)在整個工業(yè)機器人中所占據(jù)的體積面積較大，所連接使用的螺栓較少，雖然也屬于中空的結(jié)構(gòu)，但是依舊需要進行大量的優(yōu)化。綜上所述，對于研究的工業(yè)機器人來講，需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)空間部位較多，需要進行詳細(xì)并深入的研究。

1.2 工業(yè)機器人大臂負(fù)載的分析

在六自由度工業(yè)機器人大臂材料的選擇上，多數(shù)都會以鍛鑄鐵為主要的材料，鍛鑄鐵材料的密度多數(shù)為7.3kg/cm3，彈性度在190GPa，工業(yè)機器人在工作的過程中，底座多數(shù)為固定的模式，當(dāng)工業(yè)機器人大臂和小臂同時保持在一個水平高度的時候，機器人本身的質(zhì)量和負(fù)載作用力下，末端的位移將會出現(xiàn)最大化的變形。因此，在這個時候的工業(yè)機器人處于極為危險的狀態(tài)下，以這樣的工作姿態(tài)作為條件進行對大臂結(jié)構(gòu)進行研究，可以得到更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

工業(yè)機器人自身的重量較大，因此在確定大臂復(fù)雜的時候需要對荷載以及大臂前端各種零件總質(zhì)量進行深入的考慮，在考慮后將工業(yè)機器人整體的模型導(dǎo)入到相關(guān)的軟件中，這樣才能夠更好地確保工業(yè)機器人工作的安全性，每一個零件的質(zhì)量都需要選擇最大的數(shù)值，將整個模型的材料全面作為可鍛鑄鐵。大臂前端所有的部件質(zhì)量保證在127kg左右，工業(yè)機器人額定的負(fù)載保證在20kg以內(nèi)，在已經(jīng)知曉工業(yè)機器人自身總重量為230kg的情況下，為了能夠確保工業(yè)機器人工作的安全性，需要對大臂結(jié)構(gòu)總量進行150kg的負(fù)載，這樣才能夠更好地確保優(yōu)化的結(jié)果。在研究中發(fā)現(xiàn)對工業(yè)機器人進行動力學(xué)的仿真模擬，能夠讓結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果與研究內(nèi)容保持一致，因此從工業(yè)機器人工作安全性的方面進行考慮，需要對大臂施加1500N的負(fù)載最為合理。

2 工業(yè)機器人大臂優(yōu)化的過程分析

2.1 對工業(yè)機器人大臂模型進行簡化

在相關(guān)軟件中對大臂模型進行優(yōu)化，在優(yōu)化的過程中，將大臂原有的凹槽和一些多余的倒角等進行優(yōu)化，在優(yōu)化后大臂模型的總長度都有所改善，在細(xì)節(jié)中也有著一定的改善，大臂的結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)變化，大臂的前段裝置直徑在Φ155毫米，在優(yōu)化后大臂的前段裝置面上有一個固定的定位銷孔和18個通孔，大臂前端的側(cè)面有一個圓形的定位臺，在臺中心有一個通孔；大臂末端的裝置面直徑在Φ205毫米，大臂的末端裝置面有2個不同大小的定位銷孔和21個通孔，而大臂的前面有2個凸臺，凸臺中心具有兩個通孔，主要是對工業(yè)機器人線路和管道進行固定，大臂后面較為靠近前端位置的部位，有一個近似方形的定位臺，四邊倒圓角上有一個通孔，優(yōu)化后的大臂結(jié)構(gòu)更加精簡，更具有一定的穩(wěn)定性，自身總重量也有相應(yīng)的減少。

2.2 大臂靜力學(xué)的分析

在將大臂結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到相關(guān)軟件中進行靜力學(xué)分析的過程中，在模型導(dǎo)入后需要對材料屬性進行優(yōu)先設(shè)置，在大臂制造的過程中主要的材料為可鍛鑄鐵，在軟件材料庫中對新型材料進行選擇，保證材料的密度、彈性等方面的參數(shù)不變，然后加上約束力和負(fù)載等相關(guān)條件，在此之后對靜力學(xué)進行全面的分析，分析的結(jié)果供結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化作為參考[1]。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

在相關(guān)軟件對大臂模態(tài)進行分析的準(zhǔn)備階段中，需要將相關(guān)的模型導(dǎo)入到軟件之中，隨后在模態(tài)分析界面中，設(shè)定材料的相關(guān)參數(shù)和屬性，設(shè)置模態(tài)求解階數(shù)，行進網(wǎng)格劃分，隨后將大臂中所有的螺栓孔和固定約束等數(shù)值進行設(shè)定，對模型進行模態(tài)分析并求解。根據(jù)最終的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大臂結(jié)構(gòu)在優(yōu)化的過程中，最低的頻率數(shù)需要保證在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，才能夠更好地確保大臂實際的動態(tài)效果和性能，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與科學(xué)性。

在對大臂結(jié)構(gòu)進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中需要對大臂的約束與荷載進行確定，在相關(guān)軟件中進行分析后，可以得到大臂模型的固有頻率和振形等相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)進行整理，作為后續(xù)優(yōu)化與分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保最后結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果的真實性、科學(xué)性、有效性和合理性。

3 大臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的處理工作

在對機械大臂進行優(yōu)化之前，需要將軟件中相關(guān)的優(yōu)化計算方式更改為變密度計算法，該計算方法的主要思想就是將模型假設(shè)成為一種密度可以更改變化的材料，密度值在0到1之間，在一定的條件下，利用有限元計算方式，將密度值記為0的數(shù)值進行剔除，只保留密度值為1的相關(guān)材料。在約束條件下，以結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)化剛度作為目標(biāo)[2]。

在加權(quán)求和的計算過程中，經(jīng)常會遇到許多工作情況，需要對具體的工作情況進行分析，這個計算方式可以對機械臂每一個子工作情況的變形能力進行計算。

計算的目標(biāo)函數(shù)變化公式可以寫作：，在這個公式中的第一個字符表示的是在第i個子工作情況的加權(quán)參數(shù)，第二個字符則表示第i個子工作情況中的變形能參數(shù)。

在機械大臂拓?fù)涞臏?zhǔn)備階段中，需要將大臂進行拓?fù)鋬?yōu)化處理，根據(jù)原有模型的靜態(tài)分析結(jié)果對大臂末端作用力集中的部位進行優(yōu)化減小應(yīng)力的集中和產(chǎn)生，在確定好設(shè)計空間之后，大臂安裝功能部分需要從整個模型中進行獨立，剩余的空間部分作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計空間。在優(yōu)化過程中，加入上文中提到的約束力和荷載系數(shù)，根據(jù)不同參數(shù)對機械大臂的優(yōu)化下，參數(shù)的不同主要會在設(shè)計空間百分比上進行展示。在對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進行靜力學(xué)的分析過程中，需要在軟件中選擇相關(guān)的命令進行分析。

3.2 將最小化質(zhì)量作為優(yōu)化的基本目標(biāo)

在對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，需要對機械臂實際的工作情況和外觀進行考慮，在設(shè)計的過程中加上對稱的約束條件，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的比對，確保各種對結(jié)構(gòu)進行的優(yōu)化都有效地落實，更好的確保實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果。在得到拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果，在機械臂端前段位置的部分結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的問題，造成機械臂的部分功能無法全面的落實。在優(yōu)化的過程中，需要將最小化質(zhì)量作為基礎(chǔ)的目標(biāo)，對設(shè)計空間的形狀進行約束，要求在水平位置下進行設(shè)計，確保優(yōu)化空間的上下對稱。通過對最小的安全系數(shù)進行設(shè)置，這時對機械大臂結(jié)構(gòu)的更改較多，這樣的更改在一定程度上無法讓機械大臂的部分功能發(fā)揮基本作用，當(dāng)最小安全系數(shù)設(shè)置的范圍較大的時候，得到的分析結(jié)果較為合理，對結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進行全面的分析可以發(fā)現(xiàn)，位移的程度將比原模型增大0.252毫米，相應(yīng)的參數(shù)也會有不同程度上的變化，這樣的情況雖然結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布較為合理，但是并沒有實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的目的。

在研究中發(fā)現(xiàn)，如果最小安全系數(shù)優(yōu)化指數(shù)在25左右的時候，對結(jié)構(gòu)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，最小的安全系數(shù)保持在16.58，并沒有達(dá)到最開始設(shè)置的25。小安全系數(shù)如果設(shè)置較大，就已經(jīng)失去機械臂進行優(yōu)化的意義，并且最小的安全系數(shù)多為拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)參數(shù)，得到的分析結(jié)果需要有效的進行控制，對變化的趨勢也具有較高的不確定性，根據(jù)上述的情況可以得出，這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案不適于對機械大臂進行優(yōu)化，因此需要將此次的優(yōu)化方案進行排除[3]。

3.3 以最大剛度作為優(yōu)化的基本目標(biāo)

將最大剛度作為優(yōu)化的基本目標(biāo)，對大臂的原型進行拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計的過程中需要對約束和荷載力進行考慮，將相關(guān)的參數(shù)與最小化質(zhì)量進行結(jié)合，在最小化質(zhì)量數(shù)值在0-100%以內(nèi)時，不斷改變原有空間體積的百分比，以此來對最好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行選擇，通過對每一次數(shù)值結(jié)果進行靜力學(xué)分析，在保留原有設(shè)計空間較少的時候，大臂的強度將會有著明顯的下降，在對原有設(shè)計空間體積保留較大的時候，將會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，在反復(fù)試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，將最終設(shè)計空間保留在總體積的75%左右，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[4]。

3.4 機械大臂優(yōu)化后的結(jié)果分析

3.4.1 靜力學(xué)結(jié)果分析

在對機械大臂進行拓?fù)鋬?yōu)化時需要將模型在相關(guān)的軟件中打開，按照相關(guān)的步驟直接對機械大臂進行靜力學(xué)的分析。在不斷地分析后可以發(fā)現(xiàn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，機械大臂的質(zhì)量會減輕3.8kg，同時相關(guān)的參數(shù)都會有著較為明顯的改善，在相同荷載的作用下，原有模型的相關(guān)參數(shù)都有著明顯的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)也會更加具有科學(xué)性以及合理性，對機械大臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果較為明顯。

3.4.2 模態(tài)結(jié)果分析

在對結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成并將模型進行導(dǎo)出之后，機械大臂會有數(shù)萬個小的三角形面所構(gòu)成，無法對其進行模態(tài)的分析，這也是多數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化無法有效進行的根本原因。經(jīng)常在拓?fù)鋬?yōu)化之前對結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)和形狀進行優(yōu)化。在相關(guān)軟件中無法有效進行的模態(tài)分析，需要利用輔助軟件對幾何面進行清理，在清理的環(huán)節(jié)中，主要是對拓?fù)淙切蚊孢M行清理，對模型中出現(xiàn)的重合、交叉的點線面進行清理和修補，確保機械大臂模型能夠劃分成較為連貫的實體模型。在完成上述操作后，需要對模型進行網(wǎng)格的劃分處理，利用輔助軟件，解決拓?fù)鋬?yōu)化后模型中存在的缺點，將最終的模型進行導(dǎo)出并利用相關(guān)軟件對可能會存在的問題進行優(yōu)化分析，進一步對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的質(zhì)量進行保障[5]。

4 結(jié)語

對于本文所研究的六自由度工業(yè)機器人的大臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，可以用到靜力學(xué)分析和模態(tài)的分析，根據(jù)分析的結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更加具有科學(xué)性以及合理性。在優(yōu)化的過程中需要使用相關(guān)的計算方式和軟件，這樣才能夠確保機械臂的優(yōu)化方案具有較高的可行性。在對不同參數(shù)進行設(shè)置的過程中，需要保證相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性，這樣一來也能夠?qū)Ψ治龅慕Y(jié)果參數(shù)進行控制。工業(yè)機械臂的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計與使用也是今后相關(guān)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，為我國社會經(jīng)濟和綜合實力的提升奠定基礎(chǔ)條件。