基于SolidWorks軟件對工業機器人機械臂的結構優化設計和受力、模態分析

王永麗

[摘 ? ?要]隨著現在軟件技術的發展，三維建模、仿真軟件越來越普及化，SolidWorks軟件由其界面操作簡單、功能強大被機械設計行業廣泛應用，采用SolidWorks軟件對某工業機器人機械臂的三維模型結構進行拓撲優化設計，采用SolidWorks simulation軟件對機械臂進行靜力學、模態仿真分析，幾何清理和網格劃分，通過計算，設計出較合理的肘關節減速機傳動齒輪;達到了工業機器人機械臂高精度柔性運動，機械臂高強度、剛度、最小安全系數和減小應力集中的效果，解決了工業機器人機械臂的優化設計。

[關鍵詞]SolidWorks;工業機器人;機械臂; 仿真分析; 優化設計

[中圖分類號]V279 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–03

[Abstract]With the development of software technology， three-dimensional modeling and simulation software are becoming more and more popular. SolidWorks software is widely used in mechanical design industry because of its simple interface operation and powerful function. SolidWorks software is used to optimize the topology of the three-dimensional model structure of an industrial robot manipulator， and SolidWorks simulation software is used to optimize the statics and dynamics of the manipulator Through modal simulation analysis， geometric cleaning and mesh generation， a more reasonable transmission gear of elbow reducer is designed through calculation; It achieves the effect of high-precision flexible motion， high strength， stiffness， minimum safety factor and reducing stress concentration of industrial robot manipulator， and solves the optimization design of industrial robot manipulator.

[Keywords]SolidWorks; industrial robot; robot arm; simulation analysis; optimal design

工業機器人機械手臂由三部分組成，分別是機械部分、傳感部分、控制部分。就機械結構而言，機械臂是工業機器人的主要承載和執行機構，設計和計算每個零件的強度、承載能力是整個機構的核心，機械臂每個肘關節機械傳動方式、電機驅動控制方式必須達到理想的精度，要驗算機械強度、驅動功率和計算負載的重量，各運動路徑的慣量計算，位姿的控制計算，才能使工業機器人在執行工作中確保萬無一失。在多自由度機械臂程序設計中，其工作方式主要通過沿著X、Y、Z軸上做線性運動，其中沿X軸平移，沿Y軸平移，沿Z軸平移和繞X軸轉動，繞Y軸轉動，繞Z軸轉動，以達到目標位置。自由度是整個機械臂執行工作的決定因素，為了提高機械臂的運動速度，要盡量減少臂部和肘關節的部分重量，要合理選擇零部件的材料，機械臂部設計輕量化，以減少整個手臂對回轉軸的轉動慣量，必要連接部分必須采用高強度熱處理合金鋼材料，同時對所選零部件進行受力分析，以達到最優選型。

1 機械臂柔性體動力學對機械臂結構的影響

1.1 機械臂彈性變形

取機械臂關節為研究對象，進行彈性形變測試，機械臂關節變形工作是在傳動件配合完成的，關節中的彈性變形是以改變原子間的距離來實現的，外力與彈性變形之間的關系由胡克定律可得知，σi=Cε，即變形與外力的大小成正比，比例常數C為彈性模量，它反映的是金屬材料抵抗彈性變形的能力，考慮到機械臂末端手腕關節柔性對動力學性能的影響較小，由此可忽略手腕關節，只考慮機械臂的大擺臂關節、小擺臂關節以及肘關節。

1.2 機械臂固有頻率影響因素分析

對于機械臂的結構設計來說，主要分大擺臂、小擺臂、肘關節幾個重要連接部件。肘關節由電機驅動減速器，經較大減速比傳動后再驅動大擺臂和小擺臂及負載繞關節軸線轉動，由此會產生諧振現象，為了降低諧振，機械臂結構諧振頻率應當控制在伺服系統閉環帶寬的4～5倍，以避免機械臂整個系統產生諧振，不同關節剛度對不同階段機械臂固有頻率影響各不相同，各傳動軸帶動的負載不同，總體是大擺臂關節影響機械臂末端上下振動頻率;肘關節影響肘部彎曲振動頻率，這表明基于柔性多體動力學進行機械臂結構優化設計時，需要考慮到不同關節剛度。

2 機械臂結構拓撲優化設計方式

2.1 優化設計模型分析

圖1為某機械臂SolidWorks三維建模模型，整個機械臂是通過大機座固定于某一工作臺面，大機座上承載整個柔性機械臂的運動環節，所以材料不能有應變和斷裂現象，一般選擇經過熱處理的優質合金鋼，大擺臂和小擺臂由于是運動部件，且機械臂需要有良好的受控性，因此選型材料不能太過笨重，則采用優質輕型高強度鋁材料即可，其目的是減小轉動慣量，然后通過有限元分析大機座受力情況。

2.2 具體優化設計方式

取機械臂大擺臂為研究對象，設計機械臂大擺臂要根據結構造型和選擇材料進行最少化和優化考慮，采用以高強度7075鋁替代鋼或鑄鐵材料，選用高強度鋁材料后一般將大擺臂末端固定端壁厚加厚，中間部分掏空，四周拉起加強筋，最中心位置再加一橫筋，使整個大擺臂撐起抵抗扭轉變形的目的，使其強度完全滿足強度設計要求，防止在機械臂工作過程中受力變形，經過基于柔性多體動力學機械臂結構優化設計后，機械臂重量下降 10%;優化后的機械臂載重和自重比未經過優化的機械臂會提高0.42。

3 以六自由度工業機器人的大擺臂為研究對象

3.1 靜力學分析

在SolidWorks simulation軟件中打開新算例進行靜力學分析。大擺臂材料設置為材料為7075合金，密度2.81 kg/cm3，彈性模量71 E/GPa，泊松比0.33，屈服強度455 MPa。如圖2將大擺臂底面綠色箭頭設為固定約束面，上面和側面紅色箭頭為施加力面，由分析結果可知，大擺臂的最大應力為83.80 MPa，最小應力為47.70 MPa，最大位移0.112 8 mm，最小安全系數為15.22，強度完全滿足要求;僅在零件的紅色區域彎角處，存在部分應力集中。如圖2將大擺臂底面設為固定約束面和施加力面。

3.2 模態分析

在SolidWorks simulation中選擇新算例進行模態分析，選擇適當的參數進行網格劃分，如圖3設置大擺臂底面綠色箭頭為固定約束面;上面和側面紅色箭頭為施加力面，在結果后處理階段設定好前6階模態的總變形，進行模態分析。由分析結果可知，大臂結構的最低頻率為1 111.1 Hz，比優化前的大擺臂頻率高，動態特性較好，結構設計較合理。

3.3 肘關節電機驅動部分減速機圓柱齒輪傳動設計

（1）設計參數

傳遞功率：1 ? ? 傳遞轉矩：9.549

齒輪1轉速n1：1000 ?齒輪2轉速n2：250 ? 傳動比i：2

（2）齒輪精度

第Ⅰ組精度JD1：7 ? ?第Ⅱ組精度JD2：7

第Ⅲ組精度JD3：7 ? ?齒厚上偏差：F ? ? 齒厚下偏差：L

大肘關節和小肘關節減速機齒輪選取參數見表1。

4 結論

在對某型號工業機器人的大擺臂靜力學分析和模態分析，由分析和設計結果得知大擺臂結構設計較合理，只有彎角部分存在少量應力集中的現象。結構優化和減速機齒輪設計符合柔性機械臂自由度傳動要求。通過對比優化設計前、后大擺臂的分析結果，優化后大臂的結構更加合理，其剛度、強度性能明顯增強，最小安全系數提高顯著，輕量化效果明顯，為機械臂的加工生產降低了成本。

參考文獻

[1] 梁明軒，李正剛，唐任仲，等.基于柔性多體動力學的機械臂結構優化設計[J].中國機械工程，2017（21）：2562-2566.

[2] 劉宇佳.串聯機械臂柔性多體動力學性能研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[3] 任立敏，楊忠良，譚益松.多關節新型機械臂設計及其坐標反饋系統研究[J].東北電力大學學報，2018（2）：34-39.

[4] 崔中，文桂林，姜潮.基于ADAMS柔性體的高速磨床主軸系統結構分析及優化設計[J].中國機械工程，2009（5）：518-522.

[5] 林舒靜，鄭譽煌.基于SolidWorks的多關節機械臂設計分析[J].山東工業技術，2019（21）：37-1222.

[6] 韓德東，魏占國，邵忠喜.基于SolidWorks與有限元理論一種機械臂設計方法的研究[J].信息技術，2013，41（1）：85-88.

[7] 魏占國，劉晉浩.基于SolidWorks與有限元理論聯合采伐機機械臂的設計方法[J].東北林業大學學報，2010，38（8）：111-114.

[8] 夏學文，李峰，郭小剛，等.基于SolidWorks的機械手三維建模及其運動仿真[J].煤礦機械，2010（10）：215-216.

[9] 陳進平，鄭偉，姚海峰.基于SolidWorks軟件與VB編程的漸開線齒輪精確建模[J].科技廣場，2009（7）：108-110.

[10] 劉軍，李振軍.如何提高SolidWorks的裝配體性能[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006（12）：53-55.