一種裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]快速性和成本是影響裝配機(jī)器人的重要性能參數(shù)，裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)件的重量對(duì)裝配機(jī)器人的快速性、精度和成本都有著十分重要的影響。臂部結(jié)構(gòu)件的重量越大，在相同驅(qū)動(dòng)能力下機(jī)器人的速度越低，在相同的速度要求下所需要的驅(qū)動(dòng)能力越大，需要選用輸出功率更大的電機(jī)和更高承載能力的減速器，造成成本、重量、體積和耗能的增加；
如圖1所示的一種裝配機(jī)器人，其包含:固定在地面上的基座1、大臂2、小臂3、絲杠4以及主軸5，驅(qū)動(dòng)大臂2轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)和諧波減速器固定在基座I上，驅(qū)動(dòng)小臂3轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)和諧波減速器固定在小臂3上，通過(guò)安裝在小臂3上電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)絲杠4的回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)主軸5的上下移動(dòng)，為了提高其運(yùn)動(dòng)速度和裝配效率，就必須對(duì)裝配機(jī)器人的大臂和小臂重量進(jìn)行優(yōu)化；
目前，對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件的輕量化設(shè)計(jì)方法，例如，申請(qǐng)?zhí)?01010592534.X “PCB數(shù)控鉆銑機(jī)零件減重優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”，其采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化法，定義拓?fù)鋬?yōu)化的變量閾、拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)、設(shè)計(jì)響應(yīng)約束、幾何約束、尺寸約束、工藝制造約束、拓?fù)鋬?yōu)化的凍結(jié)區(qū)域約束等，得到優(yōu)化的PCB數(shù)控鉆銑機(jī)零件，但其沒(méi)有給出載荷的獲取方法，而是直接給出了載荷的大??；申請(qǐng)?zhí)?01410649705.6“一種雙足類人機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法”，其考慮了兩種載荷工況進(jìn)行腿部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但沒(méi)有考慮慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響，因此可能造成所考慮的載荷工況并非最苛刻，顯然其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并非最優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其將多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元仿真結(jié)合，得到運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)應(yīng)力最大的載荷工況，以該載荷工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的臂部結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)確性高，優(yōu)化效果好。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征是:
將多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元仿真相結(jié)合，得到臂部運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)應(yīng)力最大的載荷工況，并以該載荷工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到臂部結(jié)構(gòu)的最輕量化設(shè)計(jì)；
所述的機(jī)器人包含一大臂、小臂以及其他零部件‘
其中，所述的輕量化設(shè)計(jì)方法具體包含以下步驟:
51、對(duì)初始設(shè)計(jì)機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小臂的載荷；
52、進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小臂的應(yīng)力情況；
53、以步驟S2中小臂應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為小臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以小臂重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行小臂的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化； 54、根據(jù)步驟S3的優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行小臂的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)；
55、將優(yōu)化后的小臂替換步驟SI中初始設(shè)計(jì)機(jī)器人的小臂，對(duì)優(yōu)化后的機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)大臂的載荷；
56、進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元聯(lián)合仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)大臂的應(yīng)力情況；
57、以步驟S6中大臂應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以大臂重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行大臂的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化；
58、根據(jù)步驟S7的優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行大臂的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。
[0005]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟SI具體包含:
511、在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中建立初始機(jī)器人三維模型并導(dǎo)入到多體力學(xué)仿真軟件中，在多體力學(xué)仿真軟件中進(jìn)行密度設(shè)置、約束設(shè)置，利用軌跡規(guī)劃得到的大臂、小臂和絲杠關(guān)節(jié)角度一時(shí)間歷程曲線作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)輸入，得到機(jī)器人的多體動(dòng)力學(xué)模型；
512、將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中建立的小臂三維模型導(dǎo)入到有限元仿真軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和屬性設(shè)置，生成模態(tài)中性文件；
513、將步驟S12中生成的小臂模態(tài)中性文件導(dǎo)入到步驟Sll中建立的機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)模型，并替換原小臂模型，進(jìn)行機(jī)器人的多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到小臂的載荷歷程數(shù)據(jù)文件。
[0006]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S2具體包含: 將步驟S14中生成的小臂載荷歷程數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到有限元仿真軟件中進(jìn)行有限元仿真，將小臂設(shè)置為柔性體，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小臂的應(yīng)力分布情況。
[0007]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S3具體包含: 利用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件，以步驟S2中小臂應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為小臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以小臂重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，將小臂與大臂以及其他零部件的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行凍結(jié)，將小臂的其他區(qū)域設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，以小臂的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的一半作為約束條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到優(yōu)化后的小臂三維模型。
[0008]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S4具體包含: 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)加工工藝性，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件將不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行規(guī)則化處理，得到符合加工工藝性要求的小臂三維模型。
[0009]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S5具體包含:
551、將優(yōu)化后的小臂三維模型替換步驟Sll中多體力學(xué)仿真軟件中機(jī)器人的小臂三維模型，得到新的機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)模型；
552、將在步驟Sll的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中建立的機(jī)器人大臂三維模型導(dǎo)入到有限元仿真軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和屬性設(shè)置，生成模態(tài)中性文件；
553、將步驟S52中生成的大臂模態(tài)中性文件導(dǎo)入到步驟S51建立的新的多體動(dòng)力學(xué)模型中，替換步驟S51中的大臂模型，進(jìn)行機(jī)器人的多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到大臂的載荷歷程數(shù)據(jù)文件。
[0010]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S6具體包含: 將步驟S53中生成的大臂載荷歷程數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到有限元仿真軟件中進(jìn)行有限元仿真，將大臂設(shè)置為柔性體，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)大臂的應(yīng)力分布情況。
[0011]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S7具體包含: 利用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件，以步驟S53中大臂應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以大臂重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，將大臂與小臂以及其他零部件的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行凍結(jié)，將大臂的其他區(qū)域設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，以大臂的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的一半作為約束條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到優(yōu)化后的大臂三維模型。
[0012]上述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟S8具體包含: 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)加工工藝性，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件將不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行規(guī)則化處理，得到符合加工工藝性要求的大臂三維模型。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):以多體動(dòng)力學(xué)仿真得到的載荷作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的載荷，從而提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；通過(guò)減輕裝配機(jī)器人大臂和小臂的重量，從而提高裝配機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，提升了裝配效率。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法流程圖；
圖2為本發(fā)明的裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型圖；
圖3為本發(fā)明的實(shí)施例中的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)機(jī)器人大臂的最大應(yīng)力圖；
圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中的機(jī)器人大臂應(yīng)力最大時(shí)刻的應(yīng)力分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0016]—種裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，將多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元仿真相結(jié)合，得到臂部運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)應(yīng)力最大的載荷工況，并以該載荷工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到臂部結(jié)構(gòu)的最輕量化設(shè)計(jì)。
[0017]如圖2所示，所述的機(jī)器人包含一大臂2、小臂3以及其他零部件，所述的其他零部件包含基座1、絲杠4、以及主軸5，基座I固定在地面上，驅(qū)動(dòng)大臂2轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)和諧波減速器固定在基座I上，驅(qū)動(dòng)小臂3轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)和諧波減速器固定在小臂3上，通過(guò)安裝在小臂3上的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)絲杠4的回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)主軸5的上下移動(dòng)；由于小臂3是大臂2的負(fù)載，大臂2的優(yōu)化結(jié)果受到小臂3質(zhì)量特性的影響，而機(jī)器人小臂3優(yōu)化結(jié)果與機(jī)器人大臂2結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，因此先對(duì)小臂3進(jìn)行優(yōu)化；如圖1所示，針對(duì)該種機(jī)器人的臂部輕量化設(shè)計(jì)方法具體包含以下步驟:
51、對(duì)初始設(shè)計(jì)機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小臂3的載荷；
52、進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小臂3的應(yīng)力情況；
53、以步驟S2中小臂3應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為小臂3結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以小臂3重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行小臂3的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化；
54、根據(jù)步驟S3的優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行小臂3的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)；
55、將優(yōu)化后的小臂3替換步驟SI中初始設(shè)計(jì)機(jī)器人的小臂3，對(duì)優(yōu)化后的機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)大臂2的載荷；
56、進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元聯(lián)合仿真，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)大臂2的應(yīng)力情況；
57、以步驟S6中大臂2應(yīng)力最大時(shí)的載荷作為大臂2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的載荷，以大臂2重量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行大臂2的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化； S8、根據(jù)步驟S7的優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行大臂2的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。
[0018]本實(shí)施例中，所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件為Pro/E，多體力學(xué)仿真軟件為MSC Adams，有限元仿真軟件為Ansys Mechanical，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件為Optistruct。
[0019]所述的裝配機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，所述的步驟SI具體包含:
511、在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Pro/E中建立初始機(jī)器人CAD三維模型并導(dǎo)入到多體力學(xué)仿真軟件MSC Adams中，在MSC Adams中進(jìn)行密度設(shè)置、約束設(shè)置，約束設(shè)置是對(duì)機(jī)器人各零部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的設(shè)置，如設(shè)置基座I為固定約束，設(shè)置基座I與大臂2為轉(zhuǎn)動(dòng)約束，大臂2與小臂3為轉(zhuǎn)動(dòng)約束，小臂3與