基于注塑機械手臂的靜力分析與拓撲優化

張雄

摘 要：注塑機器人是使用SolidWorks建模的，ANSYS有限元分析軟件用于對機器人最危險的工作條件進行靜態分析，并獲得其位移應力變化特征。在此基礎上，優化了機器人模型拓撲結構，根據剛度和強度要求，優化了機器人基座結構和主臂梁結構。經過優化設計，機器人的重量減少了30%，生產成本降低了結果表明，已針對拓撲進行優化的操縱器的靜態特性與拓撲前面的特性相比變化不大，并且滿足要求。因此，本文為機器人結構優化設計提出了可行的優化方法，提高了生產率，降低了成本，縮短了產品開發周期。

關鍵詞：機械手;有限元分析;靜力分析;拓撲優化

前言

現代注塑機經常配備機器人，以提高生產效率，穩定產品質量，降低廢物率。機器人可以在注塑生產中執行多個過程。目前，國內注塑行業常用的機器人是快速捕獲模具產品并將其轉移到下一個過程中。這種機械手一般還附帶有向模腔自動噴酒脫模劑功能。隨著技術的發展，越來越多的機器人將被用于供料、攪拌、自動模具處理、廢物回收等過程中并且會向智能的方向發展。任何產品的設計都需要根據設計要求選擇合理的解決方案，確定實現最佳設計目標的參數，最重要的是解決結構布局問題。結構布局包括拓撲、形狀和大小信息，而優化大小、形狀和拓撲反映了結構優化中三個不同級別的問題。目前，尺寸優化理論和應用比較成熟，形狀優化理論已基本確立，主要是為了解決實際應用問題。結構拓撲優化由于其理論和計算復雜性，已成為結構優化設計領域研究的熱點之一。

1.結構設計

通過刪除對分析模型的有限元沒有重大影響的非重要部分（例如蓋子、圓柱體、緩沖區、定位塊等），簡化門至門的偽部分。車門至假部分通過發動機底板連接到水平方形，用螺栓連接到兩個控制臺，然后用密封板固定。為了加強控制臺結構，設計了兩個光源條作為輔助支架，以確保控制臺的剛性。

對于設計結構的網格分割，梁到梁結構包含復雜的部分，并且在將三維CAD模型文件轉換為格式時可能會出現捕捉錯誤。因此，如果導入的模型未進行幾何清理，網格質量可能會受到嚴重影響，計算精度可能會受到影響，甚至無法求解。「幾何圖形清理」可讓您檢查并修復模型、檢查并修復問題，例如冗馀曲面、隱藏邊、冗馀節點等。清除模型幾何后，可以網格化每個組件。本文研究的門式結構的所有構件均具有規則形狀，分為二維單元和指定厚度值。該模型包含39 857個二維網格節點和40 594個四邊形單元。

對控制臺進行靜態分析時，零件變形僅具有彈性。本文用于控制臺的材料主要有兩種：控制臺采用6063鋁合金，電機固定座和桿固定座采用Q235普通碳鋼。

2.注塑機械手建模及動力分析

由于注塑機器人是一個復雜的結構，因此需要簡化某些子元件以減小模型的大小。箱蓋、線路支撐板、氣缸、減振器等。，則它們對動態模型分析的影響較小且被忽略，并且僅會將它們的質量轉換到適當的位置。機械手臂模型主要由以下部分組成：底座、主臂、箱體、副臂（2件）、有限臂（前主臂-臂、前次臂-臂）、材料頭臂（后主臂-臂、后次臂-臂）。根據操縱器的特點，主臂梁采用具有拓撲優化功能的Solid92單元，其bec結構采用8節點6側Solid45單元類型。目前，這款注塑機主要是在工程靜態分析的基礎上設計的。根據機器人的設計規范，在機器人的前臂、末端施加100N的垂直向下力，以模擬當它輸入10kg的重量時機器人的工作狀態。考慮到臂各部分的嚴重性，發現機械手臂副梁的前端-臂和前端節點的最大位移為1 mm，機械手臂副梁連接到基座的節點處的最大應力值為現代機器發展速度快，重量輕，能耗低，性能高。預期在產品的設計、制造、安裝、開發和使用過程中，將充分保證產品的動態性。為了保證原型的良好性能，原型振動模態分析已成為新產品開發中的重要和不可或缺的一步。

根據該類機器人的實際工作情況，在前臂副臂的下端應用垂直向下幅度為100N的正弦激勵，頻率范圍為0 ～ 300hz。掃掠頻率分析表明，前臂的x、y和z自由度的值隨頻率而變化。當外部負載頻率約為20Hz時，接近機器人的前兩個自然頻率時，三個方向的動態位移會達到峰值。熱點（機器人手臂的下部和后部）的移動為15.5 mm，因此當系統在機器人運行期間以約20Hz的頻率充電時，機器人手臂的振動過大，導致機器人手指捕捉物體時定位不正確，或者輸入的物體與周圍物體碰撞，這導致了垃圾。因此，機器人設計的關鍵問題是如何有效地抑制工作過程中的振動。

3.機械手的拓撲優化

3.1拓撲優化原理

拓撲優化是指形狀優化，也稱為形狀優化。其主要思想是將結構的最優拓撲研究轉化為指定設計區域中材料的最優分布，拓撲優化的目的是找到最佳的材料分布解決方案，從而減少結構變形能量，這相當于增加結構剛度。為此，您可以使用設計變量為每個有限元指定偽內部密度，就像最大剛度設計一樣。目前，連續拓撲優化使用多種方法，例如變密度方法、變厚度方法和等化方法。ANSYS拓撲優化使用基于可變密度的優化方法。變密度法的基本思想是引入相對密度在0到1之間的假設變形材料，而不是微觀結構，直接假定設計材料的宏觀彈性常數與其密度μ之間存在非線性關系。

3.2機械手基座和橫梁的拓撲優化

與傳統的優化設計不同，ANSYSWorbench中的拓撲優化不需要設置優化參數或變量。目標特征、狀態變量和設計變量是預定義的，但結構參數（材質、模型、載荷等）除外，并給出優化百分比。可以根據經驗選擇優化百分比。對于這個機器人模型，優化目標是減少30%的重量。拓撲優化的整個過程是從機械臂和機器人底部移除一些不影響系統強度和剛度的材料，然后執行迭代靜態分析，直到達到優化百分比并獲得拓撲云。從拓樸云移除可分離材料、重新定義自動機制模型、從模型的基礎和梁中移除拓樸云的可移除部分，并最佳化模型。

對最大位移為3.72mm、最大應力為31.3MPa的優化模型進行靜態分析。結果表明，如果僅考慮靜態力，則機器人拓撲優化模型的靜態特性在優化之前與模型非常接近，且變化不大，而機器人模型的重量已減小在實際生產中，如果力和剛度足夠，則可以根據實際情況增加優化百分比，但不能盲目提高優化百分比，因為機器人模型的拓撲優化僅在靜態條件下考慮。如果優化尺度過高，機器人過輕，會嚴重削弱機器人系統的動態特性，降低機器人系統固有頻率，增加機器人運動臂的幅度，降低機器人的捕捉精度。

結束語

綜上所述，為機器人開發了有限元模型，使用ANSYS軟件對機器人進行了靜態分析，分析結果為優化機器人的結構拓撲結構提供了理論基礎。優化機器人基座和主臂梁關鍵構件的拓撲結構，同時滿足手臂強度和剛度的一般要求，將超出主臂梁基座和副梁材料，以改善手臂質量分布，降低手臂生產成本。這是優化機器人結構的可行方法，大大縮短了機器人的設計周期，并為其他機械產品的設計、制造和結構優化提供了重要指導。

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