ABB桌面機器人夾持結(jié)構(gòu)的輕量化仿真分析

毛世杰 馮思晨 鮑照森 徐 杰 湯 超 徐蘭英

（1.廣東技術(shù)師范大學 工業(yè)實訓中心，廣州 516005；2.廣東技術(shù)師范大學 機電學院，廣州 516005；3.北京炎凌嘉業(yè)機電設備有限公司，北京 101100）

輕量化是當前機器人具有安全性指標的體現(xiàn)，能夠降低質(zhì)量、慣量等相關(guān)指標，減少能量輸入/輸出[1]。當前，機器人應用較為廣泛。工信部頒布2021年的206號文件《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》綱要，其中主要涵蓋了機器人高性能減速器、高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)、智能控制器、智能一體化關(guān)節(jié)、新型傳感器及智能末端執(zhí)行器6個方面。其中，機器人末端夾持結(jié)構(gòu)的輕量化分析，屬于智能末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容之一。一般而言，輕量化是指減輕產(chǎn)品重量，降低生產(chǎn)成本，是發(fā)展規(guī)劃的體現(xiàn)之一。對于輕量化的拓撲優(yōu)化研究方法，主要有增減厚度與體積法[2]、均勻化法、變密度法、漸進優(yōu)化法以及獨立連續(xù)映射法等[3]。此次ABB機器人的拓撲仿真優(yōu)化主要采用均勻化法，是將機器人末端的夾持結(jié)構(gòu)在模擬實際荷重后使對應的結(jié)構(gòu)盡量均勻分布，并減少多余的材料。目前，拓撲優(yōu)化原理與方法較多，用此方法能夠降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本[4-10]。

1 ABB桌面機器人及夾持結(jié)構(gòu)簡介

ABB IRB120-3/0.6型桌面機器人主要應用于工程訓練實驗教學。根據(jù)教學安排，每位學生需要動手操作機器人，但由于實訓學生較多，主要用于特定的搬運、碼垛、焊接等實操性較強的任務。雖然大部分學生能按照規(guī)定的指令、參照教師實際操作要領(lǐng)完成機器人特定任務編程，但仍有部分學生未能按照要求完成任務，導致機器人受到不同程度的撞擊。即使經(jīng)由供應商修復機器人，后續(xù)機器人相關(guān)運動精度也會受到不同程度的損壞，導致后期使用中末端夾持結(jié)構(gòu)的維修和購買成本相對較高。此次針對夾持結(jié)構(gòu)的輕量化分析有利于降低成本，節(jié)省機器人附件的購買費用。

實驗教學桌面教學機器人如圖1所示。通過查閱廠家提供的機器人采購合同，得知夾持負載的有效荷質(zhì)量為3 kg，故機器人按照最大承載質(zhì)量進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 桌面教學單元

在夾持最大荷質(zhì)量運動時，需要的夾持力F為

式中：具體夾持體結(jié)構(gòu)滑動摩擦因數(shù)μ的取值范圍為0～1。根據(jù)優(yōu)化的安全需求，可先按照μ=1計算，實際測算的夾持力FN為

式中：G為最大夾持荷重力；夾持物體質(zhì)量m為3 kg；g為10 N·kg-1。于是，求得FN為30 N。

因夾持結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，上、下半部分需要的加持力FN1、FN2通過式（3）計算得出均為15 N。

圖2 機器人夾持結(jié)構(gòu)

2 受力分析仿真

夾持力作用在機器人末端，且夾持體分為形體對稱的兩半。根據(jù)以上分析，每半的最大夾持反作用力不超過15 N，并將其導入ANSYS Workbench 19.0版本中進行仿真分析。在仿真分析前，因考慮到夾持體的連接方式與實際工況，將夾持體做了倒角和連接處的簡化。鑒于夾持體尺寸較小，在實際工況模擬中將網(wǎng)格劃分為1 mm尺寸，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)與網(wǎng)格單元數(shù)分別為91 103個、60 525個，仿真材料采用合金鋼與實際相同。簡化模型與初步分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 簡化模型后網(wǎng)格劃分

依據(jù)以上簡化模型與受力分析，對模型模擬加載夾持力，具體如圖4所示。

圖4 夾持結(jié)構(gòu)受力加載

在滿足以上實際情況中加載出總形變和應力分布圖，最終得到仿真結(jié)果，分別如圖5和圖6所示。

圖5 夾持結(jié)構(gòu)總形變仿真分析

圖6 夾持結(jié)構(gòu)應力仿真分析

由分析得知，最大等效應力為22.411 MPa，最大形變量為0.001 95 mm。根據(jù)仿真應力和形變量得知，此結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間較大。通過已有結(jié)構(gòu)在CREO 5.0實際測量的體積為9 034.25 mm，合金鋼密度取7.85 g·cm-3，根據(jù)密度公式可得到簡化后的夾持結(jié)構(gòu)質(zhì)量為709.051 3 g。

3 拓撲優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真分析，確定輕量化分析目標為保持夾持結(jié)構(gòu)基本形體不變和質(zhì)量減輕的同時性能保持不變。在Topology Optimization模塊中選擇優(yōu)化質(zhì)量20%，拓撲優(yōu)化的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化仿真結(jié)果表明，去除20%材料能夠保證夾持形體基本形狀不變。但是，目前拓撲優(yōu)化的結(jié)果并不能直接應用于生產(chǎn)，需要考慮制造的可行性再次進行結(jié)構(gòu)設計。由于ANSYS Workbench 19.0建模功能弱于其他設計類軟件，一般適用于簡單拉伸類特征。本次采用SolidWorks 2018將其轉(zhuǎn)換為實體零件模型，再通過實體模型轉(zhuǎn)換為CREO 5.0可以編輯的零件類型。可編輯外形與新優(yōu)化設計后的模型分別如圖8和圖9所示。

圖8 SolidWorks 2018的優(yōu)化設計模型

圖9 CREO 5.0的優(yōu)化設計模型

將優(yōu)化的實際模型通過ANSYS Workbench 19.0再次仿真進行驗證，確定新結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

3.2 驗證優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)模型

對拓撲優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)模型再次進行仿真分析。仿真的網(wǎng)格模型、受力方向、大小均與圖3、圖4保持一致，最終得到總形變和應力分布圖，具體結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 夾持結(jié)構(gòu)優(yōu)化后總形變仿真分析

經(jīng)由仿真結(jié)果驗證，優(yōu)化后新設計的模型最大形變?yōu)?.001 87 mm，相較于圖5中0.001 95 mm，約提升了5%，意味著在輕量化的基礎上夾持結(jié)構(gòu)提升了5%的應變性能。關(guān)于等效力應力模型，優(yōu)化后最大等效應力達到12.915 MPa，相較于圖6中的22.411 MPa，優(yōu)化后的夾持結(jié)構(gòu)提升了57.6%的性能。在整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，輕量化做到了應力與應變同步提升。通過已有結(jié)構(gòu)在CREO 5.0中的實際測量體積為8 071.61 mm，合金鋼密度取7.85 g·cm-3，計算新優(yōu)化的夾持結(jié)構(gòu)質(zhì)量為633.621 4 g，輕量化性能提升10.6%。可見，夾持結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化前后的優(yōu)化效果明顯。

圖11 夾持結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應力仿真分析

4 結(jié)語

ABB桌面機器人夾持結(jié)構(gòu)經(jīng)由一系列拓撲優(yōu)化和仿真驗證，得到新結(jié)構(gòu)的相關(guān)應力應變性能。此次優(yōu)化過程中主要完成了以下內(nèi)容。

（1）前期通過實物建立夾持結(jié)構(gòu)模型，鑒于仿真過程中應盡量簡化模型，將加持結(jié)構(gòu)的圓角特征、相關(guān)連接件均已去除，達到節(jié)省計算時間、提高效率的目的。

（2）在拓撲優(yōu)化的準備階段，將網(wǎng)格模型導 入SolidWorks 2018，而 非 直 接 將 其 在ANSYS Workbench 19.0的SpaceClaim中進行，原因在于仿真分析軟件的建模功能稍遜于設計類軟件，進而使用3D設計軟件實現(xiàn)模型可重新編輯與設計的轉(zhuǎn)換。

（3）雖然原結(jié)構(gòu)經(jīng)由拓撲優(yōu)化達到20%材料去除率，但最終材料去除率為10.6%。原因在于去除20%材料的夾持結(jié)構(gòu)過于復雜，致使加工制造難度增加，增加了生產(chǎn)成本，所以一般不推薦此方案。相反，將模型導入3D設計軟件，基于已有的優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型建立合理的結(jié)構(gòu)，便于后期的制造，有助于降低生產(chǎn)成本。

（4）通過應力應變的數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由結(jié)構(gòu)變換能夠順利實現(xiàn)輕量化。一般而言，輕量化會降低相關(guān)應力、應變等的性能，但是此次通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)了部分性能的提升。