基于Pro/E和ANSYS的機器人手臂性能分析和結構優化設計

武戰君，姜濤

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

本文以三維造型軟件PRO/E進行三維實體建模，對換擋機器人手臂進行結構設計，然后運用有限元分析軟件ANSYS進行有限元分析，根據結果進行機器人手臂的結構優化設計。

1 機器人手臂的三維實體建模方法

本文以ANSYS10.0為版本進行分析，將Pro/E 4.0為版本進行模型設計，將設計出的模型導入到ANSYS進行有限元分析。

對于機械手臂的設計，現代工業機器人的重復定位精度一般都能夠達到 0.05mm左右。考慮質量問題采用鋁制材料進行設計。從能實現基本功能的最簡單結構設計開始，根據活動角度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：J4、J5、J6中心），借鑒國內外的機器人設計出符合要求的小臂全長L=230mm，厚度為4mm。然后根據有限元分析結果，對受力大的部位進行加強，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 機器人手臂性能的有限元分析

2.1 有限元靜力學方程

本文中的機器人手臂可視為彈性體Ω在荷載 f（作用于Ω內的體力），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}分別表示應變、應力各分量排成的列矢量，它們與位移u的線性關系形式上可寫成

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

根據最小勢能原理，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的位移所造成的總勢能達到最小值。利用矩陣D的對稱性，可知位移函數u就是變分方程：

的解。通過求解（1）、（2）和（3）求{ε}和{σ}得到節點相應的應力圖和位移圖。

2.2 有限元模型

機器人手臂小臂如圖1所示，首先要進行設置材料屬性，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。采用智能網格劃分的方法進行網格的劃分，如圖2所示。最后根據33550—D82A0換檔機構總成試驗大綱試驗項目評價標準進行加載。

2.3 邊界條件

因為機器人手臂主要承擔載荷的是螺栓孔，為了便于施加力。所以在孔中開有小槽，根據33550—D82A0換檔機構總成試驗大綱試驗項目評價標準，在有限元分析時，大端固定不動，小端施加載荷，X方向為1000N，Y方向為1000N，Z方向為800N。

圖1 機器人小臂簡化模型Fig.1 The simplified model forearm

圖2 劃分網格后的機械手小臂Fig.2 The mesh of the manipulator robotforearm

3 有限元結果分析和結構優化設計

從圖3小臂等效應力等值線圖和圖4小臂位移等值線圖中可以看出，該機器人小臂結構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。相應增加螺栓個數以分擔受力，在兩個形體結合處應力較強的地方增加筋結構加強強度，增加緩沖設計以減少應力集中。

圖3 機器人小臂等效應力等值線圖Fig.3 Robot forearm equivalent stress isoline maps

圖4 機器人小臂位移等值線圖Fig.4 Robot forearm displacement equivalence value maps

圖5為機器人小臂優化后簡化模型圖和圖6為優化后的機器人小臂等效應力等值線圖，可以看出結構優化后，極大減小了應力集中，使螺栓孔受力變得更加合理，最后通過實驗證明分析后的優化使得設計更加合理。

圖5 機器人小臂優化后簡化模型圖Fig.5 Robot forearm after optimization simplified model figure

圖6 優化后的機器人小臂等效應力等值線圖Fig.6 The optimal robot forearm equivalents stress isoline map

從表1數據中可以看出，通過對靜力分析數據的比較，通過改變機器人手臂的結構，優化后的最大位移和最小等效應力都明顯小于優化前的數據。最大等效應力雖然略有增加，但是在零件上表現分布均勻且在合理的范圍之內。所以優化是合理可行的。

表1 靜力分析數據表Tab.1 The static analysis data tables

4 結論

通過實例闡述了利用三維建模軟件Pro/E建立實體模型以及運用有限元分析軟件ANSYS對實例中機器人小臂受力進行分析，實現了手臂的結構優化設計。從而大大的提高了設計效率，縮短了設計周期，降低了設計成本，具有較高的經濟價值。對目前的機械手臂結構設計方法進行了創新，為今后的設計提供了新的思路。

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