基于Workbench的某軌道機(jī)器人主體關(guān)鍵零部件的輕量化設(shè)計(jì)

張鵬程，張洪麗，趙金洋

（山東交通學(xué)院山東省交通建設(shè)與安全技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250357）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)器人朝著智能化、復(fù)合化、集成化、多樣化的方向發(fā)展，即基于機(jī)器人應(yīng)用的深化，在種類(lèi)和功能上越來(lái)越多樣、豐富。現(xiàn)在普遍研究的軌道機(jī)器人和市面上所售賣(mài)的軌道機(jī)器人，整體質(zhì)量大多為20 kg以上，20 kg以下的輕型巡檢機(jī)器人較為少見(jiàn)。機(jī)器人小型化也是重要的發(fā)展趨勢(shì)，基于此對(duì)軌道機(jī)器人主體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以滿足輕巧、小型化的要求，符合現(xiàn)實(shí)需求。軌道機(jī)器人主體的關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響軌道機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、固有頻率等性能指標(biāo)。軌道機(jī)器人工作時(shí)勻速前進(jìn)，因此其主體被看作承受靜載荷。通過(guò)分析軌道機(jī)器人主體受力情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證運(yùn)行平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，減輕其質(zhì)量，對(duì)軌道機(jī)器人結(jié)構(gòu)本身的性能和設(shè)計(jì)制造具有重要的意義[1-3]。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程

使用SolidWorks進(jìn)行軌道機(jī)器人的主體設(shè)計(jì)，通過(guò)Workbench有限元分析軟件對(duì)龍骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵受力點(diǎn)、應(yīng)力應(yīng)變、質(zhì)量、模態(tài)進(jìn)行研究分析，得出比現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案更為輕巧、合理的結(jié)構(gòu)模型。機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)分析總流程及尺寸優(yōu)化詳細(xì)流程、結(jié)構(gòu)優(yōu)化詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵零部件輕量化設(shè)計(jì)流程圖

2 機(jī)器人主體的結(jié)構(gòu)分析

軌道機(jī)器人的主體部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。龍骨機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)與外殼的連接來(lái)提供支撐，內(nèi)部安置水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在下方掛載升降機(jī)構(gòu)。機(jī)器人通過(guò)4個(gè)運(yùn)動(dòng)輪與導(dǎo)軌接觸，運(yùn)動(dòng)輪承擔(dān)整體重力，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的支撐軸承和傳動(dòng)軸的強(qiáng)度有較高的要求。為了確保龍骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性，進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。通過(guò)靜力學(xué)仿真，模擬機(jī)器人在工作過(guò)程中所受到的力和應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕量的計(jì)算和分析，以評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)度裕量的計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)龍骨主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，同時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。軌道機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化對(duì)于確保機(jī)器人的性能和可靠性至關(guān)重要。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行效率、負(fù)載能力，并降低材料成本，這有助于提升軌道機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)力。

3 龍骨機(jī)械機(jī)構(gòu)初始強(qiáng)度分析

龍骨機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底板、2個(gè)橫梁和龍骨。龍骨主要采用屈服強(qiáng)度為235 MPa 的優(yōu)質(zhì)碳鋼材料制造。如圖3所示，在底部施加一個(gè)-Y方向的1000 N的拉力。為了簡(jiǎn)化SolidWorks中的建模工作量，可以簡(jiǎn)化或省略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的特征。這些特征包括附件、緊固件、小零件、倒角、圓角、小孔和螺紋孔等，在結(jié)構(gòu)分析中可以視為對(duì)結(jié)果無(wú)重要影響的細(xì)節(jié)。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 龍骨結(jié)構(gòu)受力示意圖

使用Workbench可以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的形變和等效應(yīng)力分析。在分析中，可以合理地假設(shè)結(jié)構(gòu)的載荷均勻分布在龍骨下方的8個(gè)連接點(diǎn)上，而在龍骨上方的連接點(diǎn)上施加圓柱形支撐。該分析將為龍骨結(jié)構(gòu)的整體形變和等效應(yīng)力分布提供有價(jià)值的信息。總形變可以反映在受載情況下結(jié)構(gòu)的整體變形，而等效應(yīng)力可以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果可以用于評(píng)估龍骨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

這樣的分析有助于了解龍骨結(jié)構(gòu)在受載條件下的性能，并幫助改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化，可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保其能夠承受實(shí)際工作條件下的負(fù)載要求。

在綜合考慮結(jié)構(gòu)輕量化和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，選用鋁合金6063，其泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3，屈服強(qiáng)度為205 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為124 MPa，彈性模量為68.9 GPa。利用該材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，龍骨結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2.39 kg，再運(yùn)用Workbench對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，得到的最大形變量符合該結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，所以在材料選取方面可以選取鋁合金6063作為本次優(yōu)化的主體材料[4]。

將建立好的龍骨主體結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Workbench中，選取Static Structural模塊，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，自定義材料為6063鋁合金，相關(guān)材料參數(shù)設(shè)定：泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3，屈服強(qiáng)度為205 MPa，彈性模量為68.9 GPa，單元格大小設(shè)置為5 mm，對(duì)上方兩側(cè)8個(gè)螺栓孔施加圓柱形支撐進(jìn)行約束，在龍骨主體底板8個(gè)螺栓孔處施加合力大小為1000 N的力，方向沿Y軸負(fù)方向，在上方4個(gè)與軸配合的孔處施加4個(gè)圓柱形支撐約束，分析后得到龍骨結(jié)構(gòu)的總形變?cè)茍D和等效應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 龍骨結(jié)構(gòu)總形變圖

圖5 龍骨主體等效應(yīng)力云圖

龍骨最大形變量為0.03 mm，最大等效應(yīng)力為3.27 MPa，滿足該結(jié)構(gòu)在軌道機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的強(qiáng)度要求。

4 龍骨多目標(biāo)尺寸優(yōu)化

4.1 設(shè)計(jì)變量的選擇

通過(guò)對(duì)龍骨結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度影響因素的分析，將龍骨結(jié)構(gòu)分別設(shè)定幾個(gè)變量：龍骨結(jié)構(gòu)底板厚度P1，龍骨夾板寬度P2，龍骨夾板長(zhǎng)度P3，龍骨夾板厚度P4。

P1、P2、P3、P4會(huì)對(duì)龍骨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量等方面產(chǎn)生影響，對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)化處理。

4.2 目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定

運(yùn)用響應(yīng)面分析，在Static Structural 模塊中的DesignModeler繪圖軟件中將目標(biāo)尺寸優(yōu)化的輸出函數(shù)定為質(zhì)量、最大總應(yīng)變和最大等效應(yīng)力，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化定義并約束條件：P6為質(zhì)量最小值；總應(yīng)變P7≤0.1 mm；最大等效應(yīng)力P8≤124 MPa。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)給出的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的約束條件，Response Surface模塊建立出25個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，并且在其中找出最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)10，如圖6所示。

表1 設(shè)計(jì)變量的變化范圍

圖6 設(shè)計(jì)點(diǎn)分布

優(yōu)化后取值：P1取10 mm，P2取50 mm，P取110 mm，P4取8 mm，將P1、P2、P3、P4數(shù)據(jù)代入原模型，改變?cè)Ｐ偷某叽绮⑦M(jìn)行靜力學(xué)分析，龍骨結(jié)構(gòu)的質(zhì)量降低為2.33 kg，最大總變形保持0.03 mm，最大應(yīng)力變?yōu)?.34 MPa[1]。P1龍骨結(jié)構(gòu)底板厚度對(duì)等效應(yīng)力的影響如圖7所示。

圖7 龍骨結(jié)構(gòu)底板厚度P1對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

龍骨夾板長(zhǎng)度P3對(duì)等效應(yīng)力的影響如圖8所示。

圖8 龍骨夾板長(zhǎng)度P3對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

為更加全面地了解設(shè)計(jì)變量龍骨結(jié)構(gòu)底板厚度P1、龍骨夾板寬度P2、龍骨夾板長(zhǎng)度P3、龍骨夾板厚度P4與龍骨的質(zhì)量、總形變量和等效應(yīng)力之間的關(guān)系，找到對(duì)龍骨強(qiáng)度影響最關(guān)鍵的因素[5]，對(duì)P1、P2、P3、P4的靈敏度進(jìn)行分析，如圖9所示。

分析全局靈敏度可知，設(shè)計(jì)變量龍骨結(jié)構(gòu)底板厚度P1、龍骨夾板長(zhǎng)度P3、龍骨夾板厚度P4對(duì)質(zhì)量、總形變量和等效應(yīng)力的影響顯著，其中龍骨夾板長(zhǎng)度P3對(duì)總形變和等效應(yīng)力的影響最為顯著，龍骨夾板寬度P2在等效應(yīng)力和總形變方面對(duì)龍骨結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響[6-8]。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是在不改變材質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)龍骨主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以減輕龍骨主體的整體質(zhì)量，運(yùn) 用Workbench 中 的Static Structural 模 塊 和Topology Optimization模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，在滿足其強(qiáng)度需求的條件下，將目標(biāo)龍骨主體結(jié)構(gòu)中不需要受力的部分和受力較輕的結(jié)構(gòu)去除，其主要步驟如下：1）指定龍骨結(jié)構(gòu)的龍骨主體作為優(yōu)化主體；2）優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量為70%；3）對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行重新建模，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)空間，使用手動(dòng)包覆來(lái)對(duì)模型進(jìn)行最初的重構(gòu)[1]；4）針對(duì)重新建模部分再次進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出優(yōu)化結(jié)論。

拓?fù)鋬?yōu)化的主要流程為：1）模型的創(chuàng)建。使用SolidWorks創(chuàng)建龍骨的三維模型，并進(jìn)行基本的運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的完整性并確保無(wú)干擾。2）將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench仿真分析軟件。設(shè)置材料參數(shù)，生成網(wǎng)格，應(yīng)用外部負(fù)載，并定義固定支撐。進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，得到總變形圖和應(yīng)力分布圖。3）選擇拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。根據(jù)實(shí)際需求和優(yōu)化目標(biāo)，選擇設(shè)計(jì)區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和排除區(qū)域。4）定義優(yōu)化響應(yīng)和約束。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和材料特性添加約束。5）重新進(jìn)行模型創(chuàng)建。根據(jù)拓?fù)淠Ｐ秃蛯?shí)際設(shè)計(jì)要求，對(duì)原始龍骨模型進(jìn)行重新建模，對(duì)龍骨結(jié)構(gòu)中不受力或受力較少的部分進(jìn)行合理去除。6）驗(yàn)證分析。將修改后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析。如果沒(méi)有達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行重新分析和必要的修改[9]。

在Topology Optimization中將龍骨的主體結(jié)構(gòu)設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，并將響應(yīng)約束設(shè)置為原質(zhì)量的70%。優(yōu)化效果如圖10所示。

圖10 拓?fù)鋬?yōu)化效果圖

圖11 設(shè)計(jì)點(diǎn)分布

6 龍骨多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

6.1 設(shè)計(jì)變量的選擇

通過(guò)分析拓?fù)鋬?yōu)化后的效果圖，除去龍骨夾板的多余材料，重新定義P5、P6為龍骨夾板兩側(cè)的切除深度，對(duì)龍

骨進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量參數(shù)化后的范圍如表2所示[1]。

表2 設(shè)計(jì)變量的變化范圍

6.2 目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置

運(yùn)用響應(yīng)面分析，在Static Structural 模塊中的DesignModeler繪圖軟件中將目標(biāo)尺寸優(yōu)化的輸出函數(shù)定為質(zhì)量、最大總應(yīng)變和最大等效應(yīng)力，其進(jìn)行參數(shù)化定義并重新定義約束條件：P7為質(zhì)量最小值；總應(yīng)變P8≤0.1 mm；最大等效應(yīng)力P9≤124 MPa。

6.3 優(yōu)化結(jié)果分析

Response Surface根據(jù)龍骨結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)置的約束條件將設(shè)計(jì)點(diǎn)分為了9組，夾板兩側(cè)去除深度P5、P6對(duì)最大等效應(yīng)力的影響如圖12、圖13所示。

圖12 切除深度P5對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

圖13 切除深度P6對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

圖14 拓?fù)鋬?yōu)化后建模圖

通過(guò)Response Surface推導(dǎo)各組數(shù)據(jù)，最終取值P5=5.5 mm；P6=5.5 mm。

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，將龍骨主體結(jié)構(gòu)的尺寸定義為5 mm，網(wǎng)格收斂，劃分后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為25 984個(gè)，單元總數(shù)為12 799個(gè)，此時(shí)模型質(zhì)量為1.71 kg[10]。

針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行總形變和等效應(yīng)力分析后，得出該結(jié)構(gòu)此時(shí)的最大形變量為0.03 mm，最大等效應(yīng)力為3.12 MPa，該數(shù)據(jù)滿足軌道機(jī)器人在軌運(yùn)行的強(qiáng)度要求。優(yōu)化后總形變圖和等效應(yīng)力云圖如圖15、圖16所示。

圖15 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)總形變圖

圖16 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

由表3可知，在保證最大形變量不變的基礎(chǔ)上，對(duì)龍骨模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模型比初始模型的質(zhì)量減少0.67 kg，最大等效應(yīng)力降低為3.12 MPa，整體質(zhì)量減輕了28.15%，龍骨故結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度提升4.6%，實(shí)現(xiàn)了龍骨結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

表3 優(yōu)化前后結(jié)果分析

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)龍骨主體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)了龍骨結(jié)構(gòu)主體的輕量化設(shè)計(jì)要求。借助先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有目標(biāo)的優(yōu)化，既能節(jié)省材料，又能提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品性能，節(jié)省不必要的開(kāi)支。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的尺寸、結(jié)構(gòu)，可降低該關(guān)鍵零部件的總體質(zhì)量，降低最大等效應(yīng)力，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。在滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求的同時(shí)，降低了零部件的總體質(zhì)量，最終優(yōu)化出結(jié)構(gòu)的總體模型。通過(guò)驗(yàn)證分析得出，該結(jié)構(gòu)模型完全滿足軌道機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的強(qiáng)度要求，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。

輕量化設(shè)計(jì)之后，該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為1.71 kg，與初始模型的質(zhì)量2.38 kg相比，在滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求的同時(shí)，該關(guān)鍵零部件在結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面減少了0.67 kg，整體質(zhì)量減輕了28.15%。