基于ANSYS Workbench的机械手夹爪钢构仿真与优化

（青岛大学 机电工程学院，青岛 266071）

0 引言

随着机械制造行业自动化水平的不断提高，各机械加工和制造厂商对于自动化生产线的需求也不断提高，对自动化设备的要求也不断增加。本文使用的机械手应用于某公司机械零件自动化生产线的某组装工位，用于夹取多种不同零部件进行组装。根据该工位安装要求，按照经验设计、类比设计方法设计制造，其结构和尺寸参数比较保守，造成材料浪费和制造成本增加，现代制造产业不断追求在满足产品的强度、刚度、变形等要求的同时，再通过优化设计，使得产品达到轻量化、小型化的目标[1]。

本文中使用的机械手前端夹爪机构用于夹取机零件放置于自动化生产线进行组装，为避免夹爪结构强度不合理而影响正常工作，需要使用计算机辅助设计[2]。使用SolidWorks软件建立三维模型后，对前端夹爪结构进行机构优化设计，利用ANSYS Workbench对夹爪钢构进行静力学分析[3]，基于多目标优化的方法，建立数学模型计算得到最优设计点[3]，使用拓扑优化进行形状优化以减轻钢构质量，将优化前后模型的静力学分析结果分别进行了对比，以保证优化后的模型符合工作要求。

1 建立机械手前端夹爪钢构三维模型

1.1 使用SolidWorks建立三维模型

由于使用ANSYS Workbench自带的DM模块直接建模的过程较为复杂且数据不易修改，所以本文使用SolidWorks建立夹爪钢构模型，根据夹取零件种类和生产线安装要求，确定主要结构形式之后，将SolidWorks与ANSYS Workbench进行关联，将模型文件准确导入ANSYS Workbench中，在保持模型准确的同时，又保证了相关分析的实时性。

1.2 对夹爪钢构尺寸参数化

图1 夹爪钢构三维模型图

根据设计要求，在SolidWorks中建立夹爪钢构的三维模型，其结构设计如图1所示。对模型进行参数化，为减轻零件重量的同时，保证零件各方面性能，本文选择夹爪立板厚度、底板厚度和角撑板厚度进行参数化定义[4]。在SolidWorks中，通过全局变量参数化窗口，根据ANSYS Workbench的参数设置识别码添加前缀“DS_”，各参数设置如表1所示。

表1 参数变量表达形式

2 有限元分析

2.1 建立夹爪钢构的有限元模型

在ANSYS Workbench中的Static Structural静力分析模块中导入模型，设置材料为45号钢，材料主要参数如表2所示。有限元分析中，良好的划分网格有效提高有限元分析结果的准确性，但是网格数量的增加同时也会导致计算负担的加大和运算时间的增长，针对以上问题，本文中单元格划分采用正四面体方法进行划分[5,6]。在保证计算应力进度的同时保证工作效率，将单元格尺寸设置为2mm，网格划分完成后共计49631个单元，102069个节点，如图2(a)所示。

表2 材料主要参数

2.2 夹爪钢构静力学分析

根据实际工况要求，对夹爪钢构的底板下侧施加固定约束，在立板上端安装夹爪部分施加z轴负方向大小为3225N的力，夹爪钢构受力图如图2(b)所示，在对对夹爪钢构的总变形和总应力进行求解之后，得到计算结果，最大总变形为0.16382mm，如图2(c)所示，最大应力为153.9MPa，如图2(d)所示。

图2 夹爪钢构有限元模型和静力学分析图

3 响应面分析法优化设计

3.1 轻量化数学模型

根据分析云图可知，夹爪立板厚度对最大总变形影响较大，底板厚度和角撑板厚度对最大应力影响较大，将以上三个参数设置为变量，将夹爪钢构的最大变形和最大应力设置为约束条件，将零件的最小整体重量设置为目标函数[7]，建立数学模型：

式中，δ为最大变形，σs为最大应力。

3.2 响应面分析法优化

在ANSYS Workbench的Response Surface Optimization模块中运用响应面分析方法进行多目标优化前需要定义状态参数、目标参数和约束条件，才能运算得到最优解[8]。根据材料的实际规范设置参数范围，如表3所示。

表3 参数设置范围

参数设置完成后，数据分析类型选择中心复合设计（Central Composite Design），生成16组设计点，集合数学模型设定约束条件，进行计算，计算完成后数据如图3所示。

图3 优化设计点计算结果

根据计算结果，结合如图4所示的灵敏度分析图，分析可知参数DS_D1（立板厚度）相较于其他两个参数对零件重量、最大总变形和最大应力影响较大，与最大应力和最大总变形呈负相关关系；DS_D2（底板厚度）则对零件重量和最大应力有一定的影响，且呈正相关关系[9]。为了更直观观察分析结果，在Response Surface项中的Response栏中选择3D选项，使用克里格法（Kriging）分别生成参数DS_D1（立板厚度）、DS_D2（底板厚度）与P5（最大总变形）、P7（最大应力）的三维曲面关系图，如图5(a)、图5(b)所示。

图4 灵敏度分析图

图5 响应面分析三维关系图

3.3 响应面分析法优化结果

在Optimization界面设置仿真方法为筛选（Scre ening），在Candidate Point栏中生成三个候选点，对比选择第二候选点作为设计点，考虑材料实际使用规范和加工工艺，对优化的尺寸进行圆整，修改尺寸后重新进行静力学分析，对比结果如表4所示。

4 拓扑优化

4.1 拓扑优化参数设置

由静力学分析结果，该零件部分结构存在较大的优化空间，将零件模型导入ANSYS Workbench中采用变密度法数学模型的Shape Optimization模块，在满足零件实际工况要求的基础上，利用拓扑优化的方法对其结构形状进行去除材料简化，以减轻零件整体重量[10～12]。

将模型导入到Workbench中Shape Optimization模块，将材料设置为45号钢，采用四面体网格对模型进行网格划分，将网格尺寸大小控制为1mm，以保证拓扑优化结果的准确性。在Shape Optimization模块中设置和静力学分析相同的材料属性、载荷与约束条件，优化目标设定为去除40%材料，进行计算。

4.2 拓扑优化结果分析

夹爪钢构拓扑优化结果如图6(a)所示。图中颜色为红色较深的部分为可去除的部分，颜色较浅部分表示过渡部分，灰色部分为保留部分。调整拓扑优化结果显示模式，将capped isosurface值设置为0.5，得到去除材料后的模型如图6(b)所示。

表4 优化结果对比图

图6 拓扑优化结果图

根据拓扑优化的结果，同时为了保证夹爪工作时的功能性与零件加工技术要求，在SolidWorks中将去除部分形状修整后进行模型重建，重建后夹爪钢构模型如图7所示。模型重建之后将模型导入ANSYS Workbench中，施加与前文静力学分析中相同的约束条件进行计算，对比拓扑优化前后最大变形和最大应力分析结果，如表5所示。比较静力分析结果可知，最大变形增加比例较大为27.43%，但是仍然符合最大变形量不超过0.3mm的设计要求；拓扑优化去除材料后，最大应力减少3.42%，安全系数一定程度减小，零件重量减少15.9%，改进后并不影响机械夹爪的正常工作[13～15]。

图7 拓扑优化后夹爪钢构模型图

表5 拓扑优化结果分析比较

5 结语

本文以机械手前端夹爪主要钢构为研究对象，采用ANSYS Workbench对其进行了静力学分析，得到夹爪在极限载荷下的应力、变形图，采用响应面分析方法对不合理部分进行尺寸优化设计，在得到的16组数据中，选择最优设计点[16]。之后利用Shape Optimization模块对夹爪钢构进行了拓扑优化分析，在不超出零件工况要求情况下，优化设计结构和尺寸，减轻零件重量。经过响应面分析法优化和拓扑优化后，零件总重减轻了35.06%，节约了零件生产成本，为该机械抓手的后续优化工作提供一定的参考价值。