基于ANSYS拓撲優化的機器人末端結構設計

霍洪鵬+侯曉坤+姜軍生+宋健+解福祥

摘 要：利用仿真軟件ANSYS中拓撲優化設計功能，將末端三維模型導入ANSYS中，通過網格劃分，邊界條件界定，模擬受力環境等一系列操作后，根據ANSYS拓撲優化模塊的計算分析。再根據色差顯現零件保留與移除部分，對零件進行適當的結構調整。重復優化和調整后達到才材料的利用率，節約財力物力，也提高了設計水平。

關鍵詞：拓撲優化；模型導入；網格劃分；計算分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.117

1 引言

目前我國的設計水平仍有較大的提升空間，根據統計優化設計可以降低5%～35%的造價[1]。早期的設計制造需要耗費大量的人力、財力。隨著各類設計軟件的開發，為機械及其他的設計行業提供了便捷有效的工具。為了解決以上問題，本文針對用于加工機器人末端結構設計，利用三維建模軟件Solidworks建立整機模型，然后運用仿真軟件ANSYS中拓撲優化功能，對零部件進行拓撲優化，改善機器人的末端結構，對節約設計的時間、提高材料的利用效率等的具有重要意義。

2 結構模型

先通過Solidworks三維建模功能，根據機器人基本組成：機座、腰座、大/小臂、末端等基本組成，初建機器人的基本結構外形如上圖所示。

從末端的三維圖可以看出外形結構并不精簡，需要去除些材料，進行結構簡化。

3 拓撲優化數學模型建立

拓撲優化的約束條件是省去材料的百分比V。目標函數是結構的變形能，其實拓撲優化是指形狀優化，實質是尋找結構的力傳遞途徑，按照途徑分配材料，提高了材料的利用率，優化了結構受力情況，最終達到設計要求[3-5]。

目標函數：

其中：結構的變形能

約束條件：

其中：，，，。

4 拓撲優化設計

與傳統的優化設計不同，拓撲優化簡單便捷在于它不需要用戶定義優化變量，設計變量、狀態變量和目標函數等，這些分析計算設定都是程序預先定義好的，我們只需要將所要分析的結構模型轉變成“x-t”格式，導入ANSYS中，設定材料特性參數，位移約束，所受載荷約束等。[6]系統會自動的根據默認算法得出優化結果。

首先優化機器人的末端結構。給定材料的特性參數，末端選材為鋁合金，其密度低，但強度比較高，最低的拉伸強度175mpa，屈服強度195mpa，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材。

4.1 網格劃分

網格的劃分可分為：自由網格、映射網格及混合網格等。自由網格對單元體形狀沒有特定形狀限制；但是映射網格劃分必須是規則的體或面。雖然一般情況下映射網格劃分比自由網格劃分的出的結果要精確，但是由于體型的限制，采用自由網格劃分。設定relevance center為medium，smoothing為medium，transition設為slow，span angle center設為medium。網格劃分結果如下：

4.2 施加約束條件

機器人的大小臂力整力的傳動機構類似于一個串聯混合機構。且由于此結構為兩組平行四邊形組成，其中主平行四邊形確定末端點位置，輔助平行四邊形使末端執行器與水平面保持一個固定的姿態。末端在空間內只發生三個向的平移運動，不發生旋轉，由此可以簡化末端于拉桿及小臂的連接處可用固定約束來代替。另外在中心孔旁凹面處施加100pa的壓強代替末端在承載重量時的受力環境。所得受力分布云圖與整體變形圖如下：

由圖可知整體所承受應力最大達424pa，遠遠小于材料可承受應力。利用ANSYS對末端進行拓撲優化如下圖：

上圖中紅色顯示的為可移除材料，未改變的為保留材料。可以清晰的看出末端兩側耳和下面端口有大面積的可移除材料。

根據仿真結果，合理的去除紅色材料后，對零件重新做了靜力學仿真，受力云圖分布和整體變形如下圖所示：

由彩色云圖顯示的末端受力時應力應變分布情況，形象清楚的可以看出，末端在工作時承受的最大應力和發生的最大變形。

經優化前后對比，優化后對材料無論是在性能上還是在質量上的利用率都提高很多了。質量和體積都減少了將近8%。降低了加工難度，節約加工時間。

但是，所受應力遠遠小于材料性能承受應力的最小值，并且變形量很小，不影響完成工作的性能要求。所以為達到材料利用率預期理想設計結構，需要進行反復的優化設計過程，從而達到理想的要求。

優化設計流程：零件導入ANSYS，性能仿真開始到拓撲優化與材料性能比較判斷合格與否，若合格則結束優化；若不合格則調整結構后重新新拓撲優化，然后再進行比較。

5 結束語

本文對加工機器人依次做了結構分析，簡化結構，運用ANSYS仿真軟件對末端結構的應力，應變圖得出末端材料利用率比較低，再對零件進行拓撲優化，再根據優化結果，對機器人末端結構進行了外形結構優化。重復優化和結構的調整過程，最后可接近達到最大限度省時節約材料的目的。

參考文獻：

[1]計時鳴，黃希歡.工業機器人技術的發展與應用綜述[J].機電工程，2015（01）：1-5.

[2]李京，范真，陳祖英等.基于 ANSYSWORKBENCH的細紗機機架動態仿真分析[J].現在紡織技術，2017：1-3.

[3]馮強，仲梁維，李磊.ANSYSWORKBENCH仿真平臺在支架優化設計中的應用[J].軟件導刊，2017，11（16）：172-174.

[4]田建濤.基于ANSYS拓撲優化的拉板設計[J].設計計算，2017，60-63.

[5]趙琨，張曼華，劉津.基于 ANSYS 拓撲優化的電纜支架結構設計[J].水利與電力，2014，100-103.

[6]牛飛.結構拓撲優化設計若干問題的建模、求解及解讀[D].2013：5-9.

山東省科學技術發展計劃＼（2011GGX10226），國家自然科學基金項目（51505337），山東省高等學校科技計劃項目（J17KA150）

作者簡介：霍洪鵬（1991-），女，山東人，碩士研究生，研究方向：機器人設計與仿真。