摘要：如今，工业机器人正朝着高精度和速度的方向发展。因此，工业机器人必须不断优化其机械结构，以满足工业机器人发展的需要，同时加强控制。机械手臂是一种移动组件，需要高静态和动态固有频率，以减少运行中的变形和振动，提高机器的运行精度。这也是优化设计的重点和难点。
关键词：室外隔音墙工业机器人；操作臂；拓扑优化
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引言
数字智能制造是我国传统制造形态升级中不可或缺的趋势，构成未来作品核心的工业机器人将开辟新的增长机遇。工业机器人目前被广泛应用于汽车工业及其零部件生产、造型编辑、航天等诸多领域，为人们带来巨大的经济和社会效益。工业机器人通常由机械结构体、核心控制装置、传感器和伺服驱动系统组成，构成每种功能的基础。随着工业机器人应用的增加和现代工业的出现，工业机器人的性能和成本要求也在增加。传统的基于经验的设计方法往往造成结构冗余质量大，进而导致产品成本居高不下，因此已越来越不能满足现代化工业的
需求。拓扑优化设计方法不依赖于结构的初始构型和工程设计人员经验，可获得既定约束条件下的最优结构，结合3D打印技术即可精确地将设计思想转化为具备最优性能的实体零件。文中以某小型教育用工业机器人的操作臂为例，借助于拓扑优化设计方法对其开展轻量化设计，以实现其个性化、轻量化和低成本的设计要求，为工业机器人操作臂的设计提供指导。
1结构分析流程
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工业机器人(见图1)的目标是机器人手臂(见图2)。它非常适合于机械和电气过程的快速加工和装配，用于机械结构分析和拓扑优化，如图3所示。它分为以下步骤:(1)在极端操作条件下创建机器人的三维模型。(2)机器人手臂的静态和模态分析；(3)优化和重组多目标拓扑；(4)对机器人进行静态和模态分析，以确定是否满足要求(5)将优化后的武器分析结果与原始模型进行比较，并验证优化后的结构。
图1 六自由度工业机器人
图2 工业机器人机械臂
图3 结构分析与拓扑优化流程
2机械臂材料轻量化
开路电压
材料一般化是简化机器人手臂的重要方法，2A12铝合金是机器人常用的连接配置文件。但是，由于2A12铝合金强度不足以超过屈服强度，因此整体结构安全系数不足。为此，研究了7075-T6铝合金作为机器人臂结构材料的选择，该材料在固体溶液加工后，在航空、航海和汽车等领域提供了较高的密度、较高的强度和较好的塑料。2A12铝合金和7075-T6铝合金在表1中的性能不同。表1显示，7075-T6铝合金密度与2A12铝合金相同，其屈服强度明显高于2A12铝合金，可降低机器人手臂的质量，提高屈服强度。
表12A12铝合金与7075-T6铝合金的性能对比
3机械臂拓扑优化热锻工艺
3.1大臂静力学及模态分析
对于未闭合的链接工业机器人，前臂承载着肩膀、前臂、执行器和工件等对机器人具有重
要意义的部件的重量。图4显示了质量为32.6kg的工业机器人手镯的示意图。臂长的结构决定了其刚度和动态性能在末端直接影响位移精度的程度，从而使手臂的变形和动态特性在合理的范围内。当ANSYSWorkbench软件计算手臂的静态性能时，如果运动仿真最危险，则固定手臂运动类型2并指定运动类型3的载荷信息(请参见图5)。张力主要分布在关节3和上臂的中间部分。最大应力为53.4 MPa，远低于材料的拉伸极限。变形量主要集中在关节3上(0.418mm除外)，并显示为围绕x、y轴的扭曲。手臂的前模式形状和第三模式形状如图6所示，每个阶段的变形主要集中在手臂的肩部关节3上。这是通过关节3围绕x轴上下移动、围绕z轴旋转以及围绕y轴旋转来实现的。由于手臂的静态和动态分析，上臂3肩关节处的刚度较差，结构在下一阶段进行优化。
图4原大臂结构
图5原大臂的静力学分析
图6大臂振型云图
3.2拓扑优化过程
为实现最优设计，拓扑优化设计时应尽量大地将可设计区域作为设计空间，整个设计空间质量为3．82kg。为保证可靠连接，将各连接孔外3mm的区域设置为不可优化区域，其余区域设置为可设计区域。考虑到操作臂需要长时间反复使用，结合优化设计后的结构需使用3D打印的生产方式，操作臂选用疲劳性能优异的高韧性光敏树脂材料。根据载荷分析结果，选取操作臂分别位于30°位置、0°位置和－30°位置的载荷作为优化时的载荷条件，开展多工况下的拓扑优化。优化时将抓手端的两个安装孔耦合在其中部节点，在耦合点上分别施加对应3个工况的载荷。拓扑优化设计的模型几何形状复杂，需采用3D打印的方式进行加工，因此需进行工艺性约束以保证结构满足加工设备要求和外观要求。为保证结构最小尺寸大于制造设备的精度，应在拓扑优化时对结构的最小尺寸进行限制，文中设置最小尺寸约束为8mm；同时为保证支撑的去除和残余粉末的清理，结构不应含有封闭内腔，因此文中对操作臂的拓扑优化设置沿中面的对称约束及双向拔模约束。基于以上设置，以操作臂体积限制为约束条件，以最大应力作为非强制约束条件，以操作臂刚度最大化为设计目标，对其进行拓扑优化。其中体积约束根据设计空间及产品设计要求确定为不超过设计空间的35％，三个工况的权重系数设置为1∶1∶1。多次迭代后得到优化后的结构形式，除
临界单元密度为0．3的优化结果外，其余结果均连续均匀。根据质量要求选择临界单元密度为0．5的结果作为模型重构的基础。
3.3边界条件及载荷设置
如图5所示，将轴的整个外圆柱面约束到机器人臂的底部。为了更好地验证机器人手臂的强度，在极端情况下必须考虑机器人手臂的承载力。工业机器人的基础保持固定，如果同时将工业机器人的机械臂和前臂水平移动，其他部位的压力最大，机器人手臂变形最大，是工业机器人最危险的情况。选择此状态可分析手臂。分析结果已知:最大位移为0.018mm，零件变形较小，符合要求变形范围内的刚度要求。总应力为6.79 MPa，大大低于材料还原的屈服强度355MPa，这主要是在较低的轴上，而其他零件的应力相对较小。众所周知，材料利用率不足，存在优化手臂拓扑优化的空间。
3.4大臂模型重构
无法直接修改不规则空心结构，也无法直接将多馀材料从ABAQUS软件中删除。根据拓扑优化模型的结果和原始手臂的FEM模态分析，需要对原始手臂模型进行变换。由于主变形
位于手臂3的肩部关节处，因此需要加强此部分的刚度。修改主要是将上臂后嵌板从5mm加厚至7mm，将两个侧面闭锁器的空心部分延长，增加肋并改进布局，减小侧面关节的外部厚度，在后嵌板上打开侧面嵌板，看到手臂结构的重新构造，将质量降低至29.766kg。
结束语
为了满足现代工业机器人个性化、轻量化和低成本的要求，文中以某小型教育用工业机器人的操作臂为例，借助基于变密度法的拓扑优化设计方法对其开展了优化设计，实现了减重65．3％。对优化设计的操作臂结构，在各典型工况下开展了静强度分析和疲劳性能评估，根据分析结果，优化设计后的操作臂结构满足各项性能要求。文中采用的设计方法可以对其他同类型结构的优化设计提供参考。
参考文献
新型高效台车式退火炉
[1]黄红捷.工业机械臂轻量化设计的研究[D].哈尔滨工业大学,2021.
[2]胡启国,胡艳敏.工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2020,39(09):146-152.
[3]胡启国,周松.考虑刚柔耦合的工业机器人多目标可靠性拓扑优化[J].计算机集成制造系统,2020,26(03):623-631.
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