基于Pro/E和ANSYS的機(jī)器人手臂性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

武戰(zhàn)君，姜濤

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

本文以三維造型軟件PRO/E進(jìn)行三維實(shí)體建模，對換擋機(jī)器人手臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器人手臂的三維實(shí)體建模方法

本文以ANSYS10.0為版本進(jìn)行分析，將Pro/E 4.0為版本進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)出的模型導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行有限元分析。

對于機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度一般都能夠達(dá)到 0.05mm左右。考慮質(zhì)量問題采用鋁制材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。從能實(shí)現(xiàn)基本功能的最簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，根據(jù)活動角度J1：±160°、J2：±100°、J3：±62°、J4：±144°、J5：±110°、J6：±360°和最大動作范圍 R=588mm（工具安裝面），R=492mm（P點(diǎn)：J4、J5、J6中心），借鑒國內(nèi)外的機(jī)器人設(shè)計(jì)出符合要求的小臂全長L=230mm，厚度為4mm。然后根據(jù)有限元分析結(jié)果，對受力大的部位進(jìn)行加強(qiáng)，使受力平均，對不受力或者受力較小的部位減少材料，從而減輕重量。

2 機(jī)器人手臂性能的有限元分析

2.1 有限元靜力學(xué)方程

本文中的機(jī)器人手臂可視為彈性體Ω在荷載 f（作用于Ω內(nèi)的體力），q（作用于邊界Ωt上的面力）等作用下引起小變形，其變形能可表示為：

式中{ε}，{σ}分別表示應(yīng)變、應(yīng)力各分量排成的列矢量，它們與位移u的線性關(guān)系形式上可寫成

其中B是微分算子矩陣，D是與彈性系數(shù)E，v有關(guān)的對稱矩陣，視問題的性質(zhì)而定。

根據(jù)最小勢能原理，對滿足邊界上一定約束條件的所有位移中，以保持力的平衡狀態(tài)的位移所造成的總勢能達(dá)到最小值。利用矩陣D的對稱性，可知位移函數(shù)u就是變分方程：

的解。通過求解（1）、（2）和（3）求{ε}和{σ}得到節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力圖和位移圖。

2.2 有限元模型

機(jī)器人手臂小臂如圖1所示，首先要進(jìn)行設(shè)置材料屬性，材料采用鋁制材料，選擇單元類型為Solid 92，材料的楊氏模量E=206 GPa，彈性模量為0.3。采用智能網(wǎng)格劃分的方法進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，如圖2所示。最后根據(jù)33550—D82A0換檔機(jī)構(gòu)總成試驗(yàn)大綱試驗(yàn)項(xiàng)目評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載。

2.3 邊界條件

因?yàn)闄C(jī)器人手臂主要承擔(dān)載荷的是螺栓孔，為了便于施加力。所以在孔中開有小槽，根據(jù)33550—D82A0換檔機(jī)構(gòu)總成試驗(yàn)大綱試驗(yàn)項(xiàng)目評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在有限元分析時，大端固定不動，小端施加載荷，X方向?yàn)?000N，Y方向?yàn)?000N，Z方向?yàn)?00N。

圖1 機(jī)器人小臂簡化模型Fig.1 The simplified model forearm

圖2 劃分網(wǎng)格后的機(jī)械手小臂Fig.2 The mesh of the manipulator robotforearm

3 有限元結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

從圖3小臂等效應(yīng)力等值線圖和圖4小臂位移等值線圖中可以看出，該機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)受力最大在小臂大端圓盤上靠近直桿的兩個螺栓連接處和直桿與大端圓盤相接處。相應(yīng)增加螺栓個數(shù)以分擔(dān)受力，在兩個形體結(jié)合處應(yīng)力較強(qiáng)的地方增加筋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)強(qiáng)度，增加緩沖設(shè)計(jì)以減少應(yīng)力集中。

圖3 機(jī)器人小臂等效應(yīng)力等值線圖Fig.3 Robot forearm equivalent stress isoline maps

圖4 機(jī)器人小臂位移等值線圖Fig.4 Robot forearm displacement equivalence value maps

圖5為機(jī)器人小臂優(yōu)化后簡化模型圖和圖6為優(yōu)化后的機(jī)器人小臂等效應(yīng)力等值線圖，可以看出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，極大減小了應(yīng)力集中，使螺栓孔受力變得更加合理，最后通過實(shí)驗(yàn)證明分析后的優(yōu)化使得設(shè)計(jì)更加合理。

圖5 機(jī)器人小臂優(yōu)化后簡化模型圖Fig.5 Robot forearm after optimization simplified model figure

圖6 優(yōu)化后的機(jī)器人小臂等效應(yīng)力等值線圖Fig.6 The optimal robot forearm equivalents stress isoline map

從表1數(shù)據(jù)中可以看出，通過對靜力分析數(shù)據(jù)的比較，通過改變機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的最大位移和最小等效應(yīng)力都明顯小于優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。最大等效應(yīng)力雖然略有增加，但是在零件上表現(xiàn)分布均勻且在合理的范圍之內(nèi)。所以優(yōu)化是合理可行的。

表1 靜力分析數(shù)據(jù)表Tab.1 The static analysis data tables

4 結(jié)論

通過實(shí)例闡述了利用三維建模軟件Pro/E建立實(shí)體模型以及運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對實(shí)例中機(jī)器人小臂受力進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而大大的提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對目前的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了創(chuàng)新，為今后的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

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