工业机器人机械臂的结构优化

钟文涛

广东智源机器人科技有限公司 广东佛山 528000

工业机器人在近几年来的发展过程中，不断追求高精度、高质量以及高效率，这也是今后工业机器人发展的长久方向和过程。这样的方向不仅对工业机器人的智能化控制水平提出更高的要求，也让工业机械人的结构有着明显的优化。本文在对工业机器人机械臂结构优化的过程中，对研究对象进行选择，对优化手段和计算方式进行研究，确保研究结果的真实性和有效性。

1 工业机器人机械臂优化

1.1 工业机器人优化对象的选择

在研究的过程中，本文主要是对工业机械臂ZYR20进行优化，ZYR20机械臂主要指机器人末端的额定负载能力是20kg，控制的系统主要是开放性平台的六自由度关节型的工业机器人。这类的工业机器人自身重230kg，工作中使用的电功率为3.5KW，在实际生产工作中最大的运动半径在1850mm的范围内。在对工业机器人的某一个关节结构进行优化的过程中，需要保证结构强度不断，降低位移和应力，减轻工业机器人的质量，从而不断提升工业机器人的安全系数。在本文研究的工业机器人中主要存在两个机械臂的结构问题，主要是与底座相连的工业大臂和上端的工业小臂，小臂结构占据的体积面积较小，基本都在空中进行工作，并且在结构安装的过程中，需要大量的螺栓进行连接，在结构优化的工作量较大，对小臂进行优化的意义不是十分重要。工业机器人大臂结构在整个工业机器人中所占据的体积面积较大，所连接使用的螺栓较少，虽然也属于中空的结构，但是依旧需要进行大量的优化。综上所述，对于研究的工业机器人来讲，需要优化的结构空间部位较多，需要进行详细并深入的研究。

1.2 工业机器人大臂负载的分析

在六自由度工业机器人大臂材料的选择上，多数都会以锻铸铁为主要的材料，锻铸铁材料的密度多数为7.3kg/cm³，弹性度在190GPa，工业机器人在工作的过程中，底座多数为固定的模式，当工业机器人大臂和小臂同时保持在一个水平高度的时候，机器人本身的质量和负载作用力下，末端的位移将会出现最大化的变形。因此，在这个时候的工业机器人处于极为危险的状态下，以这样的工作姿态作为条件进行对大臂结构进行研究，可以得到更好的结构优化结果。

工业机器人自身的重量较大，因此在确定大臂复杂的时候需要对荷载以及大臂前端各种零件总质量进行深入的考虑，在考虑后将工业机器人整体的模型导入到相关的软件中，这样才能够更好地确保工业机器人工作的安全性，每一个零件的质量都需要选择最大的数值，将整个模型的材料全面作为可锻铸铁。大臂前端所有的部件质量保证在127kg左右，工业机器人额定的负载保证在20kg以内，在已经知晓工业机器人自身总重量为230kg的情况下，为了能够确保工业机器人工作的安全性，需要对大臂结构总量进行150kg的负载，这样才能够更好地确保优化的结果。在研究中发现对工业机器人进行动力学的仿真模拟，能够让结构优化的结果与研究内容保持一致，因此从工业机器人工作安全性的方面进行考虑，需要对大臂施加1500N的负载最为合理。

2 工业机器人大臂优化的过程分析

2.1 对工业机器人大臂模型进行简化

在相关软件中对大臂模型进行优化，在优化的过程中，将大臂原有的凹槽和一些多余的倒角等进行优化，在优化后大臂模型的总长度都有所改善，在细节中也有着一定的改善，大臂的结构并没有发生明显的结构变化，大臂的前段装置直径在Φ155毫米，在优化后大臂的前段装置面上有一个固定的定位销孔和18个通孔，大臂前端的侧面有一个圆形的定位台，在台中心有一个通孔；大臂末端的装置面直径在Φ205毫米，大臂的末端装置面有2个不同大小的定位销孔和21个通孔，而大臂的前面有2个凸台，凸台中心具有两个通孔，主要是对工业机器人线路和管道进行固定，大臂后面较为靠近前端位置的部位，有一个近似方形的定位台，四边倒圆角上有一个通孔，优化后的大臂结构更加精简，更具有一定的稳定性，自身总重量也有相应的减少。

2.2 大臂静力学的分析

在将大臂结构模型导入到相关软件中进行静力学分析的过程中，在模型导入后需要对材料属性进行优先设置，在大臂制造的过程中主要的材料为可锻铸铁，在软件材料库中对新型材料进行选择，保证材料的密度、弹性等方面的参数不变，然后加上约束力和负载等相关条件，在此之后对静力学进行全面的分析，分析的结果供结构设计优化作为参考[1]。

2.3 模态分析结果

在相关软件对大臂模态进行分析的准备阶段中，需要将相关的模型导入到软件之中，随后在模态分析界面中，设定材料的相关参数和属性，设置模态求解阶数，行进网格划分，随后将大臂中所有的螺栓孔和固定约束等数值进行设定，对模型进行模态分析并求解。根据最终的分析结果可以发现，大臂结构在优化的过程中，最低的频率数需要保证在一定的数值范围内，才能够更好地确保大臂实际的动态效果和性能，保证结构设计的合理性与科学性。

在对大臂结构进行分析后可以发现，在结构优化的过程中需要对大臂的约束与荷载进行确定，在相关软件中进行分析后，可以得到大臂模型的固有频率和振形等相关参数，将参数进行整理，作为后续优化与分析的基础数据，确保最后结构优化结果的真实性、科学性、有效性和合理性。

3 大臂拓扑结构优化

3.1 大臂结构优化前的处理工作

在对机械大臂进行优化之前，需要将软件中相关的优化计算方式更改为变密度计算法，该计算方法的主要思想就是将模型假设成为一种密度可以更改变化的材料，密度值在0到1之间，在一定的条件下，利用有限元计算方式，将密度值记为0的数值进行剔除，只保留密度值为1的相关材料。在约束条件下，以结构的最大优化刚度作为目标[2]。

在加权求和的计算过程中，经常会遇到许多工作情况，需要对具体的工作情况进行分析，这个计算方式可以对机械臂每一个子工作情况的变形能力进行计算。

计算的目标函数变化公式可以写作：，在这个公式中的第一个字符表示的是在第i个子工作情况的加权参数，第二个字符则表示第i个子工作情况中的变形能参数。

在机械大臂拓扑的准备阶段中，需要将大臂进行拓扑优化处理，根据原有模型的静态分析结果对大臂末端作用力集中的部位进行优化减小应力的集中和产生，在确定好设计空间之后，大臂安装功能部分需要从整个模型中进行独立，剩余的空间部分作为拓扑优化的设计空间。在优化过程中，加入上文中提到的约束力和荷载系数，根据不同参数对机械大臂的优化下，参数的不同主要会在设计空间百分比上进行展示。在对拓扑优化结果进行静力学的分析过程中，需要在软件中选择相关的命令进行分析。

3.2 将最小化质量作为优化的基本目标

在对结构进行优化的过程中，需要对机械臂实际的工作情况和外观进行考虑，在设计的过程中加上对称的约束条件，根据优化结果的比对，确保各种对结构进行的优化都有效地落实，更好的确保实际结构优化的结果。在得到拓扑优化后的结果，在机械臂端前段位置的部分结构具有严重的问题，造成机械臂的部分功能无法全面的落实。在优化的过程中，需要将最小化质量作为基础的目标，对设计空间的形状进行约束，要求在水平位置下进行设计，确保优化空间的上下对称。通过对最小的安全系数进行设置，这时对机械大臂结构的更改较多，这样的更改在一定程度上无法让机械大臂的部分功能发挥基本作用，当最小安全系数设置的范围较大的时候，得到的分析结果较为合理，对结构静力学进行全面的分析可以发现，位移的程度将比原模型增大0.252毫米，相应的参数也会有不同程度上的变化，这样的情况虽然结构应力的分布较为合理，但是并没有实现对结构进行优化的目的。

在研究中发现，如果最小安全系数优化指数在25左右的时候，对结构进行分析可以发现，最小的安全系数保持在16.58，并没有达到最开始设置的25。小安全系数如果设置较大，就已经失去机械臂进行优化的意义，并且最小的安全系数多为拓扑优化的相关参数，得到的分析结果需要有效的进行控制，对变化的趋势也具有较高的不确定性，根据上述的情况可以得出，这样的结构优化方案不适于对机械大臂进行优化，因此需要将此次的优化方案进行排除[3]。

3.3 以最大刚度作为优化的基本目标

将最大刚度作为优化的基本目标，对大臂的原型进行拓扑优化，设计的过程中需要对约束和荷载力进行考虑，将相关的参数与最小化质量进行结合，在最小化质量数值在0-100%以内时，不断改变原有空间体积的百分比，以此来对最好的优化结构进行选择，通过对每一次数值结果进行静力学分析，在保留原有设计空间较少的时候，大臂的强度将会有着明显的下降，在对原有设计空间体积保留较大的时候，将会出现应力集中的情况，在反复试验的过程中发现，将最终设计空间保留在总体积的75%左右，能够对结构进行优化[4]。

3.4 机械大臂优化后的结果分析

3.4.1 静力学结果分析

在对机械大臂进行拓扑优化时需要将模型在相关的软件中打开，按照相关的步骤直接对机械大臂进行静力学的分析。在不断地分析后可以发现，拓扑结构优化之后，机械大臂的质量会减轻3.8kg，同时相关的参数都会有着较为明显的改善，在相同荷载的作用下，原有模型的相关参数都有着明显的优化，结构也会更加具有科学性以及合理性，对机械大臂的结构优化结果较为明显。

3.4.2 模态结果分析

在对结构优化完成并将模型进行导出之后，机械大臂会有数万个小的三角形面所构成，无法对其进行模态的分析，这也是多数结构优化无法有效进行的根本原因。经常在拓扑优化之前对结构的相关参数和形状进行优化。在相关软件中无法有效进行的模态分析，需要利用辅助软件对几何面进行清理，在清理的环节中，主要是对拓扑三角形面进行清理，对模型中出现的重合、交叉的点线面进行清理和修补，确保机械大臂模型能够划分成较为连贯的实体模型。在完成上述操作后，需要对模型进行网格的划分处理，利用辅助软件，解决拓扑优化后模型中存在的缺点，将最终的模型进行导出并利用相关软件对可能会存在的问题进行优化分析，进一步对结构优化的质量进行保障[5]。

4 结语

对于本文所研究的六自由度工业机器人的大臂进行结构优化的过程中，可以用到静力学分析和模态的分析，根据分析的结果对结构进行优化设计，确保结构的优化更加具有科学性以及合理性。在优化的过程中需要使用相关的计算方式和软件，这样才能够确保机械臂的优化方案具有较高的可行性。在对不同参数进行设置的过程中，需要保证相关参数的准确性，这样一来也能够对分析的结果参数进行控制。工业机械臂的全新结构设计与使用也是今后相关行业发展的基础，为我国社会经济和综合实力的提升奠定基础条件。